在人脑中,存在大量的神经元和神经突触,它们构成了具有低功耗、高能效计算能力的系统。它可以同时存储和计算信息,以及学习和处理多维信息,例如语言理解,图像识别,抽象推理和其它复杂的功能。目前,各种类型的电子器件例如薄膜晶体管(TFT),相变存储器,铁电存储器,和阻变存储器(RRAM)被应用于开发人工类脑器件。其中,基于RRAM(忆阻器)的人工突触阵列因具有模拟计算、并行计算、低功耗、存算一体等特征,而被研究者们作为未来突破传统冯诺依曼瓶颈的最为理想的神经形态器件之一。另一方面,生物大脑中由于病变或者物理损伤等因素,会使得神经元细胞凋亡,神经元之间的神经突触也将因损坏而导致大脑记忆力消失。因此,利用物理瞬态电子器件模拟生物神经元细胞和神经突触的凋亡过程可应用在安全神经形态计算。此外,由于忆阻器自身存在的随机性动力学特征,比如开关电压的随机性、器件的随机电报噪声等非理因素。因此,本文对物理瞬态忆阻器及其在神经计算和随机计算中的应用进行了系统的研究,基于生物可降解的物理瞬态电子材料研究了不同类型的神经形态器件;基于物理瞬态神经形态器件,研究了其在类脑计算中的应用;基于物理瞬态忆阻器的随机性特点设计了随机性发放神经元以及其真随机数发生器并在随机性计算应用方面得到了实验证明。主要研究内容及成果如下:1.提出了基于物理瞬态忆阻器的神经突触器件概念,基于W/MgO/ZnO/Mo的器件结构实现了具有模拟开关特性的物理瞬态特性忆阻器,实现了神经突触的长时程可塑性以及脉冲尖峰时间依赖可塑性,该器件可在水溶液中7分钟时间内完全降解;2.采用纳米薄膜掺杂技术制备了W/MgO/Mg/MgO/W结构的神经突触器件,该器件具有单个突触尖峰脉冲功耗为560 p J的低功耗特性与物理瞬态特性,实现了生物可降解与物理瞬态神经突触器件的多态存储,以及可在不同脉冲频率和脉冲幅值的电压脉冲作用下实现器件电导权重的高精度可调功能。3.利用W/MgO/ZnO/Mo结构的物理瞬态忆阻器实现了可在红、绿、蓝光作用下具有不同的电导权重分布以及多态存储功能的光突触器件。利用物理瞬态光突触器件构建了光卷积神经网络,实现了对32′32的彩色光图像的达90%的识别准确率。4.基于Cu-Ta合金电极实现了Cu-Ta/IGZO/Ti N肖特基二极管,该肖特基二极管在器件可在正向forming操作后实现正向的阈值转变功能,并伴随物理随机特性。利用具有随机性动力学特性的阈值转变器件实现了随机发放LIF模型的神经元电路,利用随机发放神经元完成了随机漫步算法对全局最优解的求解问题。5.利用W/Ag/MgO/Ag/W器件的阈值转变的随机性动力学特性,实现了与传统真随机数发生器相比无需RESET编程步骤的物理瞬态真随机数发生器。利用真随机数发生器实现了蒙特卡洛计算,并对圆周率π进行了数值计算,达到了与真实解一致的计算结果。