美國哈佛大學工程與應(yīng)用科學學院 （SEAS）團隊與生物技術(shù)初創(chuàng)公司DNA Script合作，開發(fā)出一種由數(shù)百個離子晶體管組成的離子電路，并執(zhí)行了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算的核心過程。該研究發(fā)表在最近的《先進材料》上。

智能手機、計算機和數(shù)據(jù)中心中的微處理器通過固體半導體操縱電子來處理信息，但人類大腦有一個不同的系統(tǒng)，其依靠操縱液體中的離子來處理信息。

受大腦的啟發(fā)，研究人員長期以來一直在尋求在水溶液中開發(fā)“離子”電路 。雖然水中的離子比半導體中的電子移動得慢，但具有不同物化性質(zhì)的離子可用于更豐富、更多樣化的信息處理。

研究人員首先構(gòu)建了一種新型離子晶體管。該晶體管由醌分子的水溶液組成，與兩個同心環(huán)形電極和一個中心圓盤電極相連，就像一個靶心。

施加在中心圓盤上的電壓會引起電化學反應(yīng)，從而產(chǎn)生從圓盤到水中的離子電流。兩個環(huán)形電極通過產(chǎn)生和捕獲氫離子來調(diào)節(jié)中心盤周圍的局部pH值，從而加快或降低反應(yīng)速率，也就是增加或減少離子電流。換句話說，pH控制（門控）圓盤在水溶液中的離子電流，從而產(chǎn)生電子晶體管的離子對應(yīng)物。

然后，他們設(shè)計了pH門控離子晶體管，使得圓盤電流是圓盤電壓和代表局部pH門控晶體管的“權(quán)重”參數(shù)的算術(shù)乘積。他們將這些晶體管組織成16×16陣列，以將單個晶體管的模擬算術(shù)乘法擴展為模擬矩陣乘法。

研究人員稱，矩陣乘法是人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中最普遍的計算，他們的離子電路以完全基于電化學機制的模擬方式在水中執(zhí)行矩陣乘法。雖然該離子電路不能像數(shù)字微處理器那樣快速或準確，但水中的電化學矩陣乘法本身就很迷人，且具有節(jié)能的潛力。

未來，該團隊希望進一步豐富系統(tǒng)的化學復雜性。到目前為止，研究團隊只使用了3—4種離子物質(zhì)，例如氫和醌離子，來實現(xiàn)水性離子晶體管中的門控和離子傳輸。他們計劃使用更多樣化的離子種類來處理信息內(nèi)容。

總編輯圈點

人類大腦給信息科學帶來的啟發(fā)仍在繼續(xù)。用于人工智能的深度學習技術(shù)就在很大程度上模仿了大腦的信息處理方式。當下，引領(lǐng)人工智能發(fā)展趨勢的類腦計算，更離不開對大腦的借鑒：這種技術(shù)從結(jié)構(gòu)上追求設(shè)計出像生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)那樣的系統(tǒng)，從功能上追求模擬大腦的功能，從性能上追求大幅度超越生物大腦。而上述在水溶液中進行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計算，對大腦進行模擬的方式堪稱另辟蹊徑。