这个新型 AI 电子器件没有硅！北航 32 岁教授共同一作，能模拟大脑神经元，还登上了 Science
用钙钛矿代替硅研制电子器件，竟然还能被用来实现 AI 计较？？？家喻户晓，钙钛矿作为一种紧张的质料，掺杂后要紧用于制造 SCI 及博士论文（手动狗头）。此次被用在开发新型 AI 电子器件上，还登上了 Science，后果让人当前一亮：其心律辨认使命的平衡机能是古代硬件的 5.1 倍，而且还能天真模拟动静网页、低落练习能耗。
用神经形态计较降能耗
这项研究要紧是通过向钙钛矿中掺入差别量的氢，来模拟人类神经元举止，从而实现差别机械借鉴使命。这要紧是基于钙钛矿本身的特征。钙钛矿具有怪异的晶体布局，非常轻易吸收氢离子。氢离子的加入可以转变质料的导电性，由此也便让质料制备成一种可切换状况的 AI 电子器件。
在这里研究人员应用了一种混合了钕和镍的钙钛矿质料。通过向这一质料中混合差别含量的氢离子，来转变元件的差别状况，以此实现对大脑神经元举止的模拟。
详细来看，在这种质料中加入大批氢离子后，它的电子非常终会转移到镍原子上，造成原子电性产生转变，进而影响质料的导电性。这时，施加外部电场可以掌握氢的电子转移；再掌握氢的含量，则可以让该电子元件在 4 种差别模式之间切换。这 4 种模式分别是神经元模式、突触模式、电阻器模式和影象电容器模式。
此中，在不掺杂或少量掺杂氢离子的环境下，该质料处于电阻器模式，可以用来存储和处分消息。在经过一个电子脉冲刺激后，该硬件可切换到影象电容器模式。影象电容器是模仿大脑布局神经网页体系的多见元件。神经元模式会蕴蓄堆积多个灯号，此时元件电阻会产生明显变更，可以模拟人类大脑神经元被刺激时的举止状况。突触模式则是凭据神经元灯号的强度来转换输入。
之因此会想到向钙钛矿这种质料中掺入氢，是由于研究人员想要行使神经拟态计较来构建这一新器件。这是一种差别于一般冯・诺依曼计较体系的布局，它要紧通过模拟人脑神经元和突触的举止来实现机械借鉴使命。它非常大的作用即是可以低落计较能耗，这关于办理来日更复杂、更大规模的 AI 计较具有重大作用。由此一来，在举行 AI 计较时，便无需在硬件上激活、关闭差别的片面，只需掌握硬件调解到响应模式即可。研究人员还显露，这种电子器件的里面是亚巩固状况，可以保持 6 个月不消替代氢离子。
试验后果
辣么，这种硬件在差别神经网页中的阐扬怎样？就成为了考证其机能的环节。在这里，研究人员应用了两个神经网页作为测试。
初次个是一种储层计较网页，这是一种模拟人类大脑运作方法的机械借鉴体系。它的运作历程是将消息输入到一个储层，此中的数据以种种方法持续在一路，而后这些数据再被送出储层举行剖析。由此一来，该网页也就无需预练习大批数据，仅对输出前的非常后一层网页做梯度降落即可。此中的环节储层，将分别用此次提出的新电子器件和古代硬件来实现运算。
与古代表面储层和试验储层相比，这种新型储层（H-NNO）在 MINIST（手写数字辨认）、SpokenDight（音频数字辨认）、ECGHeartBeat（心率辨认）三个使命上都能应用更少的装备、实现相像的机能。平衡机能则分别凌驾 1.4 倍、1.2 倍和 5.1 倍。
别的，基于这一新型电子器件计划的动静神经网页，在处分增量借鉴上的阐扬也非常好。以下网页（GWR）是一个可以辨认红鸟、黄鸟的体系。抱负状况下，当网页检验到新范例（蓝鸟）的输入时，体系会通过增长节点的方法来扩大网页规模。
若此中任何一类动物长时间没有出现在输入中，其对应的节点也会随之关闭，以此来节减能耗。
研究人员继续应用了手写数字辨认这一数据集来举行测试。开始，他们让网页辨认 0-4 局限内的数字。而后将局限扩大到 0-9 练习一段时间，以后再只辨认 0-4。后果表现，跟着后来 5-9 的数字不再出现，网页中的关联节点也在渐渐关闭。下图 i-iii 中，数字显露对应翻开节点，黑色区域则显露关闭的节点。
再将这一动静神经网页与静态网页对比，研究人员发现在增量借鉴场景下，关于 MNIST、CUB-200 两个数据集，动静网页的阐扬都更好。从以下图 B-E 中可以看到，在 MINIST 数据集测试中，动静网页非常终精确性是静态网页的 2.1 倍；数据集 CUB-200 的非常终精确性则是静态网路的 2.5 倍。
北航张海天传授为配合一作及通信作者
北京航空航天大学张海天传授为该论文的配合一作及通信作者。
他博士毕业于美国宾夕法尼亚州立大学质料科学与工程职业。2018 年获得美国吉尔布雷斯学者基金（Gilbreth Research Fellow），于普渡大学工程院发展自力研究工作（同盟传授：Shriram Ramanathan 以及 Kaushik Roy）。昨年 9 月，张海天全职加入北京航空航天大学质料科学与工程学院。要紧研究平台为功效相变质料的调控及神经计较学器件应用、磁性功效质料、纳米质料等。
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