山東青年利用離子電流進行儲層計算，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，她的一作論文發表在 Advanced Science（IF 16.806）期刊，審稿人在各項評價中均給予 Top15% 的評價。

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

“編輯還邀請我們參與制作封面（不過最后被選為了扉頁），把我的導師給激動壞了，周末都來跟我一起早出晚歸地準備所需材料。”闞韶華說。

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

后來由于導師工作調動，闞韶華轉到北海道大學情報科學院讀博。2023 年博士畢業后，她打算回國找工作，并表示更想去企業工作。

從水中質子運動，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，處于持續增長狀態。

一種被叫做儲層計算（Reservoir Computing）的神經網絡，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為“水庫”，它相當于傳統遞歸型神經網絡的隱藏層，由大量隨機鏈接的動態節點組成，節點之間的鏈接權重無需訓練和調整的，被“水庫”處理后的信息可直接用于學習過程，因此可節省大量計算負擔和訓練時間。

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

物理學中有一個非線性動態系統的概念，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性動態特性來實現儲層計算，這一概念被稱作物理儲層計算。

一直以來，此概念都激發了物理學家們的諸多嘗試：比如利用原子陣列、電子自旋、量子動力學等構建物理儲層。

多年來，雖然取得了一定進展，但依然存在不夠簡明和通用等問題，因此物理儲層的探索依然前路漫漫。

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

測試方案的實現過程如下：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，將溶液滴加在平面電極的表面，并在輸入電極上施加電壓，接著利用一套多路數據采集系統，依次讀取各個輸出電極上的響應電流（期間要經過十萬至百萬倍的放大）。

憑借這種系統設計，即使簡單如純水，也可以在復雜的非線性問題上表現十分出色。以氣動人工肌肉為例，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，它的長度變化卻能被物理儲層做出良好預測。隨著闞韶華在實驗中加入多金屬氧酸鹽，溶液的電化學過程也得到豐富，每個輸出電極上的電流響應也更加動態多樣，系統對周期性信號的處理能力也得以提高。

此外，她還發現水中的質子運動，對這類系統的計算能力發揮了關鍵作用，這一發現既有趣、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，她第一次接觸到儲層計算，當時讀了很多論文，感覺大部分物理實現都像一個“黑匣子”，內部動態和信息處理機制既不清晰、也不可控。

因此，她想建立一個簡單可控的物理系統，并研究其作為儲層計算的效果。

期間，她使用一對反向并聯的二極管，通過外部控制讓其簡單的響應電流產生一定的動態變化，借此構建出一個非常簡單的物理儲層計算系統。將該系統結合相關算法，只需幾十個節點就能實現對不同說話者的 10 個孤立詞的識別，準確率達到 84% [2]。

這樣的結果無疑展示了儲層計算的巨大優勢和開發潛力，也說明就連二極管這樣簡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有更大收獲，于是就有了本次研究的開題。

一開始，導師給她指定了多個材料，讓其逐一進行實驗測試和計算。

“但我中途放棄了，因為我不是化學專業出身的，我感覺自己沒法從化學角度思考反應的過程，而且不確定因素實在太多，就連同一種材料得到的實驗數據都讓我有種完全無跡可尋的感覺。于是，我嘗試只使用純水測試，因為它不需要很復雜的化學知識來解釋，結果沒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。”闞韶華回憶稱。

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關引起的泄漏電流，到底會帶來多大程度的影響。

慢慢地，物理儲層內部的細節被一點點明確，這時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“電子海綿”之稱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，采樣時間較早的材料、比采樣時間較晚的材料性能更佳，為此她又增加一組使用非質子溶劑作為參照的測試。

結果發現，這會大大降低系統的計算性能，也說明水中的質子運動，對系統計算能力起著核心作用。

有望在微米電極上，形成極短時間內的電流響應

闞韶華表示，該研究能為未來低功耗硬件計算系統的發展提供新視角。若干年內，有望實現僅在微米級電極上，即可利用溶液中的質子移動、或離子移動，形成極短時間內的電流響應，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，當前系統仍有一定局限性，因此未來她計劃改進測試電路，從而實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，闞韶華有著她細膩卻堅韌的一面。問及研究中難忘的事，她說：“肯定是之前沒忍住在導師面前哭鼻子了吧，哈哈。一開始我搭建的測試系統不能正常工作，推測問題出在廠家新制作的電路板上，但導師把一塊原來能正常使用的舊板子給我測試時也失敗了，所以導師認為是我電路搭建或者測試代碼出了錯。”

于是，她用好長時間全部重新來過，還是覺得電路板有問題，最后對著廠家電路圖逐個把板子上的模塊進行搭建和測試，并把問題鎖定在位移寄存器上。

這時，導師幫她聯系廠家后，得到的答復卻是他們測試該器件時能夠正常工作，當時闞韶華的心情有些崩潰，因為前后耗時遠超預期，而且她十分確定問題出在哪里，但是沒有人遇到同類問題，導致導師也不太相信她的判斷。這時導師安慰她，說要是不行就換一個同學來做。

提及此闞韶華說：“這時，我實在憋不住淚水了。我回應導師說：‘在電路方面，組里其他人的經驗都沒我豐富，很多人出問題時還是我幫忙解決的，我不覺得如果我解決不了的問題其他人就能解決。’然后越想越委屈，一路哭著回住處。回去后還是不希望把自己的課題交給別人，就在網上用中文、英語、日語分別搜索這個型號的位移寄存器在使用中會遇到的問題，最后終于找到一些關于供電電壓的討論。”

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

“雖然直到現在，導師依舊不相信廠家給的使用建議會出錯（笑），但我的課題總算可以進行下去了。”闞韶華表示。

-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.