山東青年利用離子電流進(jìn)行儲層計算，預測誤差不到0.1，為低功耗硬件計算系統提供新視角

她叫闞韶華，山東淄博人，生于 1996 年，今年 25 歲。

近日，她的一作論文發(fā)表在 Advanced Science（IF 16.806）期刊，審稿人在各項評價(jià)中均給予 Top15% 的評價(jià)。

論文題為《通過(guò)電化學(xué)反應實(shí)現儲層計算的物理實(shí)現》（Physical Implementation of Reservoir Computing through Electrochemical Reaction）[1]。

“編輯還邀請我們參與制作封面（不過(guò)最后被選為了扉頁(yè)），把我的導師給激動(dòng)壞了，周末都來(lái)跟我一起早出晚歸地準備所需材料?！标R韶華說(shuō)。

據悉，其本科畢業(yè)于中北大學(xué)微電子科學(xué)與技術(shù)專(zhuān)業(yè)，大三開(kāi)始的專(zhuān)業(yè)課讓她了解到“摩爾定律”即將失效的這一技術(shù)難題，其認為探索新的體系方案將是有趣的研究方向，因此來(lái)到日本大阪大學(xué)量子工程設計專(zhuān)業(yè)讀碩士，跟隨導師赤井恵（Megumi Akai-Kasaya）老師探索新型 AI 器件解決方案。

后來(lái)由于導師工作調動(dòng)，闞韶華轉到北海道大學(xué)情報科學(xué)院讀博。2023 年博士畢業(yè)后，她打算回國找工作，并表示更想去企業(yè)工作。

從水中質(zhì)子運動(dòng)，到 AI 新型芯片

此次論文的背景在于：當前，基于晶體管的半導體芯片尺寸和速度，都已幾乎接近物理極限。然而，AI 的發(fā)展使得人們對于計算規模和計算速度的需求，處于持續增長(cháng)狀態(tài)。

一種被叫做儲層計算（Reservoir Computing）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )，是解決該困境的最有潛力的方法之一。

執行計算的部分俗稱(chēng)為“水庫”，它相當于傳統遞歸型神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的隱藏層，由大量隨機鏈接的動(dòng)態(tài)節點(diǎn)組成，節點(diǎn)之間的鏈接權重無(wú)需訓練和調整的，被“水庫”處理后的信息可直接用于學(xué)習過(guò)程，因此可節省大量計算負擔和訓練時(shí)間。

一些比較復雜的計算問(wèn)題比如天氣狀況、流體流動(dòng)、軟體材料的行為等，都可通過(guò)儲層計算了解它們的內在動(dòng)力學(xué)。

物理學(xué)中有一個(gè)非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)系統的概念，它能用于“水庫”的構建中，雖然具有一些前提條件（比如系統不能是混沌的等），但自然界依然有許多物理系統都有可能利用其自身的非線(xiàn)性動(dòng)態(tài)特性來(lái)實(shí)現儲層計算，這一概念被稱(chēng)作物理儲層計算。

一直以來(lái)，此概念都激發(fā)了物理學(xué)家們的諸多嘗試：比如利用原子陣列、電子自旋、量子動(dòng)力學(xué)等構建物理儲層。

多年來(lái)，雖然取得了一定進(jìn)展，但依然存在不夠簡(jiǎn)明和通用等問(wèn)題，因此物理儲層的探索依然前路漫漫。

而此次闞韶華的工作，分兩方面對上述問(wèn)題做了研究：其一提出一套利用離子電流進(jìn)行儲層計算的獨特方案；其二她發(fā)現這套測試設備，能讓溶液依賴(lài)自身電化學(xué)響應和電極間的相互影響，進(jìn)而構成一個(gè)有效的物理儲層，同時(shí)具有強大的計算能力。

測試方案的實(shí)現過(guò)程如下：她先設計出一款微米級尺度的平面電極組，讓電極之間相互平行，每組電極的一邊是輸入電極組、另一邊是輸出電極組。

這時(shí)，將溶液滴加在平面電極的表面，并在輸入電極上施加電壓，接著(zhù)利用一套多路數據采集系統，依次讀取各個(gè)輸出電極上的響應電流（期間要經(jīng)過(guò)十萬(wàn)至百萬(wàn)倍的放大）。

憑借這種系統設計，即使簡(jiǎn)單如純水，也可以在復雜的非線(xiàn)性問(wèn)題上表現十分出色。以氣動(dòng)人工肌肉為例，它是一種用于構建軟體機器人的柔性材料，由于存在高階的自由度、機械非線(xiàn)性和滯后性，其行為難以被控制和傳感。

但在該研究中，它的長(cháng)度變化卻能被物理儲層做出良好預測。隨著(zhù)闞韶華在實(shí)驗中加入多金屬氧酸鹽，溶液的電化學(xué)過(guò)程也得到豐富，每個(gè)輸出電極上的電流響應也更加動(dòng)態(tài)多樣，系統對周期性信號的處理能力也得以提高。

此外，她還發(fā)現水中的質(zhì)子運動(dòng)，對這類(lèi)系統的計算能力發(fā)揮了關(guān)鍵作用，這一發(fā)現既有趣、又意想不到。

闞韶華表示，該研究是她碩士課題的延續。讀碩士時(shí)，她第一次接觸到儲層計算，當時(shí)讀了很多論文，感覺(jué)大部分物理實(shí)現都像一個(gè)“黑匣子”，內部動(dòng)態(tài)和信息處理機制既不清晰、也不可控。

因此，她想建立一個(gè)簡(jiǎn)單可控的物理系統，并研究其作為儲層計算的效果。

期間，她使用一對反向并聯(lián)的二極管，通過(guò)外部控制讓其簡(jiǎn)單的響應電流產(chǎn)生一定的動(dòng)態(tài)變化，借此構建出一個(gè)非常簡(jiǎn)單的物理儲層計算系統。將該系統結合相關(guān)算法，只需幾十個(gè)節點(diǎn)就能實(shí)現對不同說(shuō)話(huà)者的 10 個(gè)孤立詞的識別，準確率達到 84% [2]。

這樣的結果無(wú)疑展示了儲層計算的巨大優(yōu)勢和開(kāi)發(fā)潛力，也說(shuō)明就連二極管這樣簡(jiǎn)單的電流電壓響應特性，都能被利用。

因此闞韶華認為，如果利用其他分子材料的電流電壓反應或許會(huì )有更大收獲，于是就有了本次研究的開(kāi)題。

一開(kāi)始，導師給她指定了多個(gè)材料，讓其逐一進(jìn)行實(shí)驗測試和計算。

“但我中途放棄了，因為我不是化學(xué)專(zhuān)業(yè)出身的，我感覺(jué)自己沒(méi)法從化學(xué)角度思考反應的過(guò)程，而且不確定因素實(shí)在太多，就連同一種材料得到的實(shí)驗數據都讓我有種完全無(wú)跡可尋的感覺(jué)。于是，我嘗試只使用純水測試，因為它不需要很復雜的化學(xué)知識來(lái)解釋?zhuān)Y果沒(méi)想到純水在一系列的基準測試上的表現竟然非常好，而且性能非常穩定?！标R韶華回憶稱(chēng)。

就這樣僅僅憑借純水，她探索并明確了影響該物理儲層的性能表現因素，以及測試電路中一些不可避免的干擾因素比如選擇開(kāi)關(guān)引起的泄漏電流，到底會(huì )帶來(lái)多大程度的影響。

慢慢地，物理儲層內部的細節被一點(diǎn)點(diǎn)明確，這時(shí)闞韶華認為可以添加導師要求的材料了，于是她加入極少量有著(zhù)“電子海綿”之稱(chēng)的多金屬氧酸鹽材料，其獨特的分子電子結構可以豐富電極上的電流響應。

結果發(fā)現，復雜多樣的法拉第電流有助于提高系統對周期性信號的處理能力。此外，這兩種溶液的共同特殊之處在于，采樣時(shí)間較早的材料、比采樣時(shí)間較晚的材料性能更佳，為此她又增加一組使用非質(zhì)子溶劑作為參照的測試。

結果發(fā)現，這會(huì )大大降低系統的計算性能，也說(shuō)明水中的質(zhì)子運動(dòng)，對系統計算能力起著(zhù)核心作用。

有望在微米電極上，形成極短時(shí)間內的電流響應

闞韶華表示，該研究能為未來(lái)低功耗硬件計算系統的發(fā)展提供新視角。若干年內，有望實(shí)現僅在微米級電極上，即可利用溶液中的質(zhì)子移動(dòng)、或離子移動(dòng)，形成極短時(shí)間內的電流響應，從而設計出更強大的計算系統，為日益重要的邊緣計算提供低成本、低功耗和高度集成的硬件設備。

不過(guò)，當前系統仍有一定局限性，因此未來(lái)她計劃改進(jìn)測試電路，從而實(shí)現大規模的并行運算，以及把測試速度提高到微秒級別。

作為一名 95 后理工生，闞韶華有著(zhù)她細膩卻堅韌的一面。問(wèn)及研究中難忘的事，她說(shuō)：“肯定是之前沒(méi)忍住在導師面前哭鼻子了吧，哈哈。一開(kāi)始我搭建的測試系統不能正常工作，推測問(wèn)題出在廠(chǎng)家新制作的電路板上，但導師把一塊原來(lái)能正常使用的舊板子給我測試時(shí)也失敗了，所以導師認為是我電路搭建或者測試代碼出了錯?！?/span>

于是，她用好長(cháng)時(shí)間全部重新來(lái)過(guò)，還是覺(jué)得電路板有問(wèn)題，最后對著(zhù)廠(chǎng)家電路圖逐個(gè)把板子上的模塊進(jìn)行搭建和測試，并把問(wèn)題鎖定在位移寄存器上。

這時(shí)，導師幫她聯(lián)系廠(chǎng)家后，得到的答復卻是他們測試該器件時(shí)能夠正常工作，當時(shí)闞韶華的心情有些崩潰，因為前后耗時(shí)遠超預期，而且她十分確定問(wèn)題出在哪里，但是沒(méi)有人遇到同類(lèi)問(wèn)題，導致導師也不太相信她的判斷。這時(shí)導師安慰她，說(shuō)要是不行就換一個(gè)同學(xué)來(lái)做。

提及此闞韶華說(shuō)：“這時(shí)，我實(shí)在憋不住淚水了。我回應導師說(shuō)：‘在電路方面，組里其他人的經(jīng)驗都沒(méi)我豐富，很多人出問(wèn)題時(shí)還是我幫忙解決的，我不覺(jué)得如果我解決不了的問(wèn)題其他人就能解決?！缓笤较朐轿?，一路哭著(zhù)回住處?；厝ズ筮€是不希望把自己的課題交給別人，就在網(wǎng)上用中文、英語(yǔ)、日語(yǔ)分別搜索這個(gè)型號的位移寄存器在使用中會(huì )遇到的問(wèn)題，最后終于找到一些關(guān)于供電電壓的討論?！?/span>

第二天一早，她就去實(shí)驗室把該器件的供電電壓從廠(chǎng)家指定的 5V 降到了 3.3V，驚喜地發(fā)現一切都能正常工作。

“雖然直到現在，導師依舊不相信廠(chǎng)家給的使用建議會(huì )出錯（笑），但我的課題總算可以進(jìn)行下去了?！标R韶華表示。

-End-

參考：

1、Kan, S., Nakajima, K., Asai, T., & Akai‐Kasaya, M. (2021). Physical Implementation of Reservoir Computing through Electrochemical Reaction. Advanced Science, 2104076.

2、Kan, S., Nakajima, K., Takeshima, Y., Asai, T., Kuwahara, Y., & Akai-Kasaya, M. (2021). Simple reservoir computing capitalizing on the nonlinear response of materials: theory and physical implementations. Physical review applied, 15(2), 024030.