神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算的未來(lái)可能比我們預(yù)計(jì)的要糟糕一些——不是用電的固體芯片，而是泡在水里。

近日，哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院（SEAS）與初創(chuàng)公司 DNA Script 組成的團(tuán)隊(duì)成功開(kāi)發(fā)了一種基于水溶液中離子運(yùn)動(dòng)的處理器。

物理學(xué)家們認(rèn)為，由于更接近大腦傳輸信息的方式，因此這種設(shè)備可能是類腦計(jì)算的下一步。

「水溶液中的離子電路使用離子作為電荷載體進(jìn)行信號(hào)處理，」研究人員在論文中表示。「我們提出了一種水性離子電路…… 這種能夠進(jìn)行模擬計(jì)算的功能性離子電路，是朝著更復(fù)雜的水性離子學(xué)邁出的一步。」

該研究被發(fā)表在了最近一期材料科學(xué)期刊《Advanced Materials》上。

論文：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202205096

我們知道，從智能手機(jī)到云服務(wù)器中的芯片是通過(guò)固體半導(dǎo)體操縱電子來(lái)處理計(jì)算任務(wù)的，這和生物工作的方法不同。

大腦中信號(hào)傳輸?shù)闹饕糠质欠Q為離子的帶電分子在液體介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)。盡管大腦令人難以置信的處理能力很難人工復(fù)制，但科學(xué)家們認(rèn)為計(jì)算機(jī)可以使用類似的系統(tǒng)：用水溶液承載離子。

由于介質(zhì)改變了，這種方法將比傳統(tǒng)的基于硅的計(jì)算慢，但它可能具有一些有趣的優(yōu)勢(shì)。例如離子可以從多種分子中產(chǎn)生，每個(gè)分子具有不同的特性，可以以不同的方式加以利用。

但首先，科學(xué)家需要證明它真的能發(fā)揮作用。

哈佛大學(xué)物理學(xué)家 Woo-Bin Jung 帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)一直在這個(gè)方向努力。構(gòu)建計(jì)算機(jī)的第一步是設(shè)計(jì)功能性離子晶體管，這是一種開(kāi)關(guān)或增強(qiáng)信號(hào)的器件。他們最近的進(jìn)展涉及將數(shù)百個(gè)晶體管組合成一個(gè)離子電路。

該晶體管由電極的「靶心」排列組成，中心有一個(gè)小圓盤(pán)形電極，周圍有兩個(gè)同心環(huán)形電極。這與醌分子的水溶液接觸。使用時(shí)，施加在中央圓盤(pán)上的電壓會(huì)在醌溶液中產(chǎn)生氫離子電流。同時(shí)，兩個(gè)環(huán)形電極調(diào)節(jié)溶液的 pH 值，從而增加或減少離子電流。

芯片（左），中央（中）有一個(gè)由數(shù)百個(gè)晶體管（右）組成的陣列。

醌是含有共軛環(huán)己二烯二酮或環(huán)己二烯二亞甲基結(jié)構(gòu)的一類有機(jī)化合物，基于這種物質(zhì)的晶體管執(zhí)行由環(huán)對(duì)門控設(shè)置的「權(quán)重參數(shù)與磁盤(pán)電壓的物理乘法，產(chǎn)生離子電流的答案。

你可能會(huì)知道「生物計(jì)算機(jī)」的概念，指利用生物材料去取代當(dāng)前計(jì)算機(jī)使用的半導(dǎo)體芯片和存儲(chǔ)介質(zhì)，被認(rèn)為是量子計(jì)算之外，計(jì)算機(jī)未來(lái)的另一大方向。不過(guò)此前的很多研究集中在單個(gè)離子二極管和晶體管，而不是包含許多此類設(shè)備的電路。

當(dāng)前對(duì)算力需求極高的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)嚴(yán)重依矩陣乘法運(yùn)算，其中涉及多次乘法。因此，該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了 16×16 的晶體管陣列，每個(gè)都能夠進(jìn)行乘法計(jì)算，以產(chǎn)生可以執(zhí)行矩陣乘法的離子電路。它們?cè)诨パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體 (CMOS) 電子芯片的表面上實(shí)現(xiàn)并由其操作。

研究人員通過(guò)執(zhí)行物理或模擬乘積累加 （MAC）操作來(lái)展示這種陣列級(jí)離子電路的實(shí)用性。基于物理現(xiàn)象的模擬 MAC 操作——對(duì)比基于許多數(shù)字邏輯門和布爾代數(shù)的數(shù)字 MAC 操作，新的方法對(duì)降低人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的功耗帶來(lái)了方向。

離子晶體管的示意。

由于每個(gè)交叉點(diǎn)電導(dǎo)都作為網(wǎng)絡(luò)突觸權(quán)重起作用，饋入陣列行的輸入電壓通過(guò)歐姆定律乘以權(quán)重，并根據(jù)基爾霍夫定律在每列中累積所得電流。因此，每列電流是物理上的在輸入數(shù)據(jù)向量和列的突觸權(quán)重向量之間產(chǎn)生點(diǎn)積。

在每個(gè)離子晶體管中，施加的電壓 Vin 的電流 Iout 由 Ig 門控，我們可以找到 Vin 的一個(gè)區(qū)域，其中 Iout = W × Vin，比例常數(shù)或權(quán)重 W 可以通過(guò) Ig 調(diào)整，即在該區(qū)域中，離子晶體管在權(quán)重和輸入電壓之間進(jìn)行物理乘法。

乘積累加操作。

「矩陣乘法是人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最常用的計(jì)算，我們的離子電路以完全基于電化學(xué)機(jī)械的模擬方式在水中執(zhí)行矩陣乘法」，Woo-Bin Jung 說(shuō)道。

當(dāng)然，這項(xiàng)技術(shù)目前還存在很大的局限性，其中包括操作必須按順序執(zhí)行，而不是同時(shí)執(zhí)行，這大大減慢了方法的速度。

然而，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為下一步的工作不是提高速度，而是在系統(tǒng)中引入更廣泛的分子。到目前為止，該團(tuán)隊(duì)只使用了三四種離子物質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)水性離子晶體管中的門控和離子傳輸，例如氫和醌離子。該研究試圖完成更復(fù)雜的離子計(jì)算，讓電路處理更復(fù)雜的信息。

研究團(tuán)隊(duì)指出：這項(xiàng)研究最終的目標(biāo)不是用離子技術(shù)與電子產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)或取代電子產(chǎn)品，而是以混合技術(shù)的形式讓二者取長(zhǎng)補(bǔ)短。