北航青年教授開發新型含氫鈣鈦礦材料，成功模擬大腦神經網路功能

電子器件中的常見成分矽，在改用鈣鈦礦後，竟能使器件實現AI計算和動態網路的靈活模擬，且能耗相比過去大大降低？

近日，美國普渡大學、曾獲吉爾佈雷斯學者基金（Gilbreth Research Fellow）的張海天與施里拉姆·拉馬納森（Shriram Ramanathan）教授團隊合作開發了一種“在氫摻雜後發生室溫電子相變的量子材料鈣鈦礦鎳酸釹（NdNiO3）”，該材料能夠模擬大腦神經活動，並可完成各種機器學習任務。

張海天表示， “這次的成果是發現了一個新型的功能器件，從而能夠為過去的一些問題提供解決方案。”

相關論文以《用於人工智慧的可重構鈣鈦礦鎳酸鹽電子學》（Reconfigurable perovskite nickelate electronics for artificial intelligence）為題發表在

Science

上，張海天擔任共同一作及通訊作者

［1］。

圖 | 相關論文（來源：Science）

研究中，該團隊演示了在鈣鈦礦 NdNiO3 器件中，透過控制氫含量和電脈衝來形成神經元、突觸、電阻器和記憶電容器 4 種模式的過程，而該過程之所以能夠進行，正是因為“鈣鈦礦鎳酸鹽的電學效能對氫離子區域性分佈十分敏感”。

這種可按需設計出類腦計算各模組的能力，為自適應網路帶來了全新思路。

在鈣鈦礦 NdNiO3 器件中生成的神經元和突觸可用於研發自適應動態生長網路，該網路與靜態網路節點相比，能耗更低，效率更強，還能夠進行建立和刪除節點等操作。

此外，該團隊把這些神經形態計算所需的關鍵應用整合在同一電子器件中，可極大地改進當前的 AI 計算架構及腦啟發AI硬體。

具體體現為，進行 AI 計算時，不再需要在電子器件上做啟用和關閉等操作，僅將器件切換到相應模式即可。這不僅極大地降低了計算能耗，而且還能為解決未來複雜度和規模更高的 AI 計算提供助力。

圖 | 新型鈣鈦礦NdNiO3器件（來源：Science）

研究人員還表示，在進行了上百萬次的耐久性測試後，他們發現這種新型鈣鈦礦 NdNiO3 器件仍可正常工作，其中摻雜的氫離子至少可以維持 6 個月的效力。

為進一步明確其效能，該團隊使用了儲備池計算網路和“按要求增長”自組織神經網路兩個機器學習系統來作測試。

儲備池計算網路是把資訊輸入到一個關鍵儲層，再以各種方式將所有資料連線在一起，接著輸出這些資料並對其進行分析。這樣一來，該網路在完成計算任務時不需要做大量預訓練，只要梯度式下降資料輸出前的最後一層網路即可。

此次研究中，該團隊採用新研發的鈣鈦礦 NdNiO3 器件及傳統硬體來進行儲備池計算網路網路中的關鍵儲層計算。

結果表明，“相較傳統理論儲層和實驗儲層，這種儲備池計算網路網路以更少的裝置數量，在手寫數字識別（MINIST）、音訊數字識別（SpokenDight）和心率識別（ECGHeartBeat）任務上達到了同一水平的效能，而按裝置數平均的效能分別高出 1。4 倍、1。2 倍和 5。1 倍。”

圖 | 儲層計算網路完成各種計算任務的效能表現（來源：Science）

此外，使用該鈣鈦礦 NdNiO3 器件的動態神經網路在增量學習方面表現極佳。

據瞭解，研究人員使用了 MNIST 和 CUB-200 兩種資料集來做測試。結果得出，相比靜態神經網路，動態神經網路資料集中的表現都更好，其

準確性分別是靜態神經網路的 2.1 倍和 2.5 倍。

然後，關於這種新型鈣鈦礦 NdNiO3 器件的具體應用，張海天作了兩個方面的闡述。

一方面，該器件實現了多種功能的轉換，可為手機等器件的小型化和整合化提供新的思路。另一方面，該器件設計的動態神經網路準確率更高，使其能夠較好地用於探索自動駕駛和機器人在複雜環境中的應用。

此外，他指出，該研究偏於基礎科研，要想在未來投入實際應用，還需與企業及院校老師等進行合作。

下一步，該團隊計劃大力發展這種鈣鈦礦 NdNiO3 器件的硬體製備，做出一些電路級別的樣品，以完成一些實際環境中的 AI 挑戰及工作任務。此外，他們將繼續研究一些新型的測量方式，希望能夠把提出的新型量子材料鈣鈦礦鎳酸釹與計算機科學更好地結合在一起。

據瞭解，張海天的主要研究方向是“功能相變材料的調控及類腦計算器件應用、磁性功能材料和奈米材料”。截止當前，他已在

Science

、

Nature Materials

等知名學術期刊發表了 30 多篇 SCI 論文。

張海天曾在 2020 年入選國家級青年人才計劃，並於 2021 年全職加入北京航空航天大學，擔任該校材料科學與工程學院教授。

目前，其正在北京航空航天大學搭建實驗室，包括一些相對高階的類腦計算測量裝置。同時，他希望能夠拓展與國內同行的合作。

張海天稱，未來他的研究重心還是會基於強關聯相變材料，並計劃在元素和系統上對這種材料進行一定的拓展。而且，他準備用更多表徵技術來深入研究氫摻雜對整個器件效能的影響。

此外，張海天課題組正在招收全職博士後研究人員，研究方向為基於相變材料的類腦計算器件。申請者將詳細的個人簡歷傳送至郵箱 htzhang@buaa。edu。cn 即可，郵件標題需標註為“姓名+應聘職位”。

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參考：

1。Hai-Tian Zhang et al。 Reconfigurable perovskite nickelate electronics for artificial intelligence。

Science

（2022）。 https：//doi。org/10。1126/science。abj7943