毫無疑問，從多方面來看，人腦都是有史以來最偉大的計算系統(tǒng)。而當今世界運行的數(shù)字計算機與人腦相差甚遠，這讓研究人員想去了解差異在哪里，如何縮小這一差距。

人腦和數(shù)字計算機之間的最大區(qū)別是計算的方式。在數(shù)字計算機中，電子是通過半導體材料操控的；在大腦中，離子在液體中被操控。

為了復制這一過程，哈佛大學的研究人員最近發(fā)表了一篇描述一種新型離子電路的論文。在這篇文章中，我們將討論離子計算以及哈佛大學的新研究。

什么是離子電路?

總的來說，生物體所依賴的生理過程是由離子在液體環(huán)境中的選擇性運輸所控制的。例如，細胞的功能是基于細胞膜上的生物通道，這些通道促進細胞內(nèi)外離子和分子的交換。

敏銳的讀者可能會意識到，這本身就是一種電路，盡管不是傳統(tǒng)意義上的電路。而且，雖然這些“離子電路”不一定是傳統(tǒng)的，但眾所周知，在許多方面，它們的性能和特性遠遠超過了數(shù)字計算。

盡管水中的離子可能比半導體中的電子移動得慢，但許多人相信，離子種類的多樣性可用于更豐富的信息處理，從而使機器學習等應用受益。

為了嘗試并駕馭這種行為，研究人員一直在尋找離子電路，其中離子在水溶液中的運動可以模擬傳統(tǒng)的計算技術(shù)。到目前為止，研究嘗試已經(jīng)成功地為離子電路創(chuàng)造了組件，如二極管或晶體管，但還沒能用離子組件構(gòu)建出完整的電路。

哈佛研究新成果

最近，哈佛大學的研究人員發(fā)表了一篇論文，描述了一種用于機器學習計算的新型離子電路。在論文中，研究人員描述了用離子電路創(chuàng)建一個模擬MAC(multiply-and-accumulate)塊。

MAC的組成部分是一種新型的離子晶體管，這種晶體管利用了哈佛大學早期的研究，研究人員發(fā)現(xiàn)他們能夠通過電子程序控制某些水溶液的pH值。

在MAC研究中，該團隊創(chuàng)造了一種離子晶體管，由兩個同心環(huán)電極和一個中心圓盤電極組成，電極位于由醌分子組成的水溶液中。該裝置的工作原理是通過兩個同心環(huán)電極產(chǎn)生或捕獲氫原子來電化學地操縱中心圓盤周圍的pH值，中心圓盤可以向水溶液中產(chǎn)生與其pH成正比的離子電流。這樣，水溶液的pH值就像一個晶體管門，有效地創(chuàng)造了一個離子晶體管。

從晶體管到MAC，該團隊將晶體管的結(jié)構(gòu)設(shè)計為總離子電流相當于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。然后將這些晶體管排列在一個16x16的陣列中，以創(chuàng)建一個矩陣乘法塊。因此，利用pH值控制和他們獨特的離子晶體管，研究人員能夠在機器學習計算中應用這種MAC塊。

應用前景

哈佛大學的研究團隊承認，盡管目前這種新型離子MAC的速度遠不及傳統(tǒng)的數(shù)字MAC，但他們相信離子電路最終有可能比傳統(tǒng)解決方案更高效。理想情況下，研究人員希望離子電路可以作為一種更高效和豐富的計算資源，用于邊緣計算等應用。

審核編輯：劉清