北航青年教授开发新型含氢钙钛矿材料，成功模拟大脑神经网络功能

　　电子器件中的常见成分硅，在改用钙钛矿后，竟能使器件实现AI计算和动态网络的灵活模拟，且能耗相比过去大大降低？
　　近日，美国普渡大学、曾获吉尔布雷斯学者基金（GilbrethResearchFellow）的张海天与施里拉姆拉马纳森（ShriramRamanathan）教授团队合作开发了一种在氢掺杂后发生室温电子相变的量子材料钙钛矿镍酸钕（NdNiO3），该材料能够模拟大脑神经活动，并可完成各种机器学习任务。
　　张海天表示，这次的成果是发现了一个新型的功能器件，从而能够为过去的一些问题提供解决方案。
　　相关论文以《用于人工智能的可重构钙钛矿镍酸盐电子学》（Reconfigurableperovskitenickelateelectronicsforartificialintelligence）为题发表在Science上，张海天担任共同一作及通讯作者〔1〕。
　　图相关论文（来源：Science）
　　研究中，该团队演示了在钙钛矿NdNiO3器件中，通过控制氢含量和电脉冲来形成神经元、突触、电阻器和记忆电容器4种模式的过程，而该过程之所以能够进行，正是因为钙钛矿镍酸盐的电学性能对氢离子局部分布十分敏感。
　　这种可按需设计出类脑计算各模块的能力，为自适应网络带来了全新思路。
　　在钙钛矿NdNiO3器件中生成的神经元和突触可用于研发自适应动态生长网络，该网络与静态网络节点相比，能耗更低，效率更强，还能够进行创建和删除节点等操作。
　　此外，该团队把这些神经形态计算所需的关键应用集成在同一电子器件中，可极大地改进当前的AI计算架构及脑启发AI硬件。
　　具体体现为，进行AI计算时，不再需要在电子器件上做激活和关闭等操作，仅将器件切换到相应模式即可。这不仅极大地降低了计算能耗，而且还能为解决未来复杂度和规模更高的AI计算提供助力。
　　图新型钙钛矿NdNiO3器件（来源：Science）
　　研究人员还表示，在进行了上百万次的耐久性测试后，他们发现这种新型钙钛矿NdNiO3器件仍可正常工作，其中掺杂的氢离子至少可以维持6个月的效力。
　　为进一步明确其性能，该团队使用了储备池计算网络和按要求增长自组织神经网络两个机器学习系统来作测试。
　　储备池计算网络是把信息输入到一个关键储层，再以各种方式将所有数据连接在一起，接着输出这些数据并对其进行分析。这样一来，该网络在完成计算任务时不需要做大量预训练，只要梯度式下降数据输出前的最后一层网络即可。
　　此次研究中，该团队采用新研发的钙钛矿NdNiO3器件及传统硬件来进行储备池计算网络网络中的关键储层计算。
　　结果表明，相较传统理论储层和实验储层，这种储备池计算网络网络以更少的设备数量，在手写数字识别（MINIST）、音频数字识别（SpokenDight）和心率识别（ECGHeartBeat）任务上达到了同一水平的性能，而按设备数平均的性能分别高出1。4倍、1。2倍和5。1倍。
　　图储层计算网络完成各种计算任务的性能表现（来源：Science）
　　此外，使用该钙钛矿NdNiO3器件的动态神经网络在增量学习方面表现极佳。
　　据了解，研究人员使用了MNIST和CUB200两种数据集来做测试。结果得出，相比静态神经网络，动态神经网络数据集中的表现都更好，其准确性分别是静态神经网络的2。1倍和2。5倍。
　　然后，关于这种新型钙钛矿NdNiO3器件的具体应用，张海天作了两个方面的阐述。
　　一方面，该器件实现了多种功能的转换，可为手机等器件的小型化和集成化提供新的思路。另一方面，该器件设计的动态神经网络准确率更高，使其能够较好地用于探索自动驾驶和机器人在复杂环境中的应用。
　　此外，他指出，该研究偏于基础科研，要想在未来投入实际应用，还需与企业及院校老师等进行合作。
　　下一步，该团队计划大力发展这种钙钛矿NdNiO3器件的硬件制备，做出一些电路级别的样品，以完成一些实际环境中的AI挑战及工作任务。此外，他们将继续研究一些新型的测量方式，希望能够把提出的新型量子材料钙钛矿镍酸钕与计算机科学更好地结合在一起。
　　据了解，张海天的主要研究方向是功能相变材料的调控及类脑计算器件应用、磁性功能材料和纳米材料。截止当前，他已在Science、NatureMaterials等知名学术期刊发表了30多篇SCI论文。
　　张海天曾在2020年入选国家级青年人才计划，并于2021年全职加入北京航空航天大学，担任该校材料科学与工程学院教授。
　　目前，其正在北京航空航天大学搭建实验室，包括一些相对高级的类脑计算测量设备。同时，他希望能够拓展与国内同行的合作。
　　张海天称，未来他的研究重心还是会基于强关联相变材料，并计划在元素和系统上对这种材料进行一定的拓展。而且，他准备用更多表征技术来深入研究氢掺杂对整个器件性能的影响。
　　此外，张海天课题组正在招收全职博士后研究人员，研究方向为基于相变材料的类脑计算器件。申请者将详细的个人简历发送至邮箱htzhangbuaa。edu。cn即可，邮件标题需标注为姓名应聘职位。
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　　参考：
　　1。HaiTianZhangetal。Reconfigurableperovskitenickelateelectronicsforartificialintelligence。Science（2022）。https：doi。org10。1126science。abj7943