李 莉 王 輝

“用青春之姿勇闖時(shí)代征程，以科技之勢(shì)奏響逐夢(mèng)樂(lè)章?！?023年5月8日，在由中國(guó)科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì)主辦的“第一屆中國(guó)科技青年論壇”總論壇上，從全國(guó)3000多名參賽選手中脫穎而出的10位青年科技工作者就各自的研究領(lǐng)域發(fā)表了精彩展演。清華大學(xué)精密儀器系副教授李黃龍?jiān)诂F(xiàn)場(chǎng)與未來(lái)類腦計(jì)算的虛擬影像進(jìn)行了一場(chǎng)“穿越時(shí)空的對(duì)話”，帶大家了解了一項(xiàng)當(dāng)前科技前沿值得期待的成果——“類腦計(jì)算”。

“腦科學(xué)和信息學(xué)是當(dāng)今國(guó)際科學(xué)研究的兩大熱點(diǎn)，類腦計(jì)算是兩大學(xué)科相結(jié)合的新興研究領(lǐng)域，其目標(biāo)是通過(guò)借鑒人腦的工作方式，實(shí)現(xiàn)人工通用智能。2021年，‘中國(guó)腦計(jì)劃’正式啟動(dòng)，類腦計(jì)算是一個(gè)重要的組成部分。”“我有一個(gè)大膽的想法，就是讓組成芯片的那些最基本的元器件也都變得像一個(gè)個(gè)人腦神經(jīng)細(xì)胞那樣工作。”……深入淺出，娓娓道來(lái)，在深耕神經(jīng)形態(tài)器件方向研究多年后，李黃龍嘗試在不同的場(chǎng)合用不同的方式彰顯科學(xué)的無(wú)窮魅力，這是他對(duì)自己科研對(duì)象發(fā)自內(nèi)心的熱愛(ài)和詮釋。也正因?yàn)檫@份熱愛(ài)，多年以夢(mèng)為馬、以汗為泉，他收獲了不少創(chuàng)新性成果。

2022年11月，李黃龍赴美在憶阻材料、器件與系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議（MEMRISYS）上作特邀報(bào)告

是機(jī)遇也是挑戰(zhàn)

作為科研的追夢(mèng)者，李黃龍始終在感受著時(shí)代發(fā)展的脈搏，并根據(jù)國(guó)家發(fā)展需求深化著自己的研究?jī)?nèi)容。

2023年年初，ChatGPT在世界范圍內(nèi)的爆火，讓人工智能的發(fā)展程度更上一層樓，也讓工業(yè)、制造業(yè)、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)業(yè)等眾多相關(guān)行業(yè)看到了新的增長(zhǎng)路徑，無(wú)數(shù)雙眼睛透過(guò)這項(xiàng)技術(shù)，看到了其背后巨大的應(yīng)用空間與發(fā)展?jié)摿??？梢哉f(shuō)，一股人工智能的颶風(fēng)正在ChatGPT等前沿技術(shù)的推動(dòng)下，以肉眼可見(jiàn)的速度在全世界范圍內(nèi)席卷，而算力及更高級(jí)、更具人性化的智能計(jì)算方式則是推動(dòng)這場(chǎng)颶風(fēng)更快到來(lái)的加速器。

長(zhǎng)期以來(lái)，身為科研人員的李黃龍一直在為這場(chǎng)颶風(fēng)的到來(lái)做準(zhǔn)備。

過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)，集成電路產(chǎn)業(yè)一直在摩爾定律的引導(dǎo)下發(fā)展，然而擺在現(xiàn)實(shí)面前的是，隨著摩爾定律不斷逼近極限，單個(gè)硅基芯片能夠承載的晶體管日漸飽和。硅原子的半徑約0.12n m，照此大小推算，當(dāng)芯片工藝達(dá)到1nm，基本上就放不下更多的晶體管了。隨著第一代硅半導(dǎo)體材料已經(jīng)面臨摩爾定律的極限，數(shù)字計(jì)算機(jī)的計(jì)算方式已經(jīng)難以為繼，如何推動(dòng)集成電路產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步向前發(fā)展，成為學(xué)界與社會(huì)各行各業(yè)共同面臨的難題。面對(duì)這一巨大困局，能夠提供更高效、更具仿生性，且更低能耗算力的類腦計(jì)算，成為破局的關(guān)鍵。

當(dāng)下，由于科技發(fā)展與市場(chǎng)的需求，對(duì)神經(jīng)形態(tài)材料的研究已經(jīng)呈現(xiàn)遍地開(kāi)花的趨勢(shì)，包括相變材料、氧化物材料、磁性材料等，但始終沒(méi)有找到一個(gè)像傳統(tǒng)半導(dǎo)體領(lǐng)域的硅材料那樣被大家共同采用的材料。

是挑戰(zhàn)也是機(jī)遇，2014年，剛剛在英國(guó)劍橋大學(xué)獲得電子工程方向博士學(xué)位的李黃龍決定回國(guó)，并前往清華大學(xué)從事類腦計(jì)算領(lǐng)域神經(jīng)形態(tài)半導(dǎo)體器件方向的研究工作。此前，他長(zhǎng)期深入鉆研并尋找在傳統(tǒng)數(shù)字計(jì)算機(jī)算力模式下能夠代替硅的新型半導(dǎo)體材料，在材料及器件方面有著豐富的研究經(jīng)驗(yàn)。而他回國(guó)后的研究目標(biāo)很明確，就是致力于新型神經(jīng)形態(tài)器件的工作機(jī)理和材料的研發(fā)，推動(dòng)類腦計(jì)算的發(fā)展。

立足前端創(chuàng)新突破

縱觀類腦計(jì)算硬件發(fā)展的諸多技術(shù)路線，如何達(dá)到像人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一般的空間構(gòu)型復(fù)雜度和時(shí)間構(gòu)型復(fù)雜度可謂是業(yè)界越來(lái)越公認(rèn)的一條設(shè)計(jì)考量。要知道，人腦中有860億神經(jīng)元，相當(dāng)于銀河系天體的數(shù)量，并通過(guò)150萬(wàn)億個(gè)突觸互聯(lián)構(gòu)成了空間復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。并且，神經(jīng)組織有非常豐富的動(dòng)力學(xué)行為，特征時(shí)間尺度也跨越幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這些是人腦智能的物理基礎(chǔ)。

在硅基類腦計(jì)算芯片中，需要至少6個(gè)晶體管構(gòu)成一個(gè)最簡(jiǎn)單的二值突觸，嚴(yán)重限制了芯片的集成規(guī)模。當(dāng)下，國(guó)際上采用的先進(jìn)制程的硅基類腦計(jì)算芯片在規(guī)模上也與人腦相差了10的五六次方倍。憶阻器作為一種新型器件，依靠更貼近神經(jīng)組織行為的離子運(yùn)動(dòng)機(jī)制實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)純電子晶體管所不能實(shí)現(xiàn)的諸多類神經(jīng)功能，僅用一個(gè)器件就可以模擬多階的突觸可塑性，且尺寸的可微縮潛力大，目前已進(jìn)入突觸陣列集成的技術(shù)發(fā)展階段。即便這樣，大規(guī)模突觸陣列的實(shí)現(xiàn)仍然受制于很高的器件設(shè)計(jì)難度和集成復(fù)雜度。具體來(lái)說(shuō)，串聯(lián)在一起的突觸器件和相應(yīng)的開(kāi)關(guān)器件是突觸陣列的基本功能單元，其中開(kāi)關(guān)器件用于選通待操作的陣列單元，并避免與其他單元之間形成串?dāng)_。兩種器件有截然不同的工作狀態(tài)和性能需求：突觸器件的狀態(tài)斷電后不會(huì)自行退化，且能工作在小電流下；開(kāi)關(guān)器件的狀態(tài)斷電自發(fā)復(fù)原，要能承受大的開(kāi)啟電流。這對(duì)于傳統(tǒng)材料體系來(lái)說(shuō)構(gòu)成了一對(duì)設(shè)計(jì)矛盾：對(duì)于同一材料，從“常識(shí)”上來(lái)說(shuō)，一般電流刺激越大，離子結(jié)構(gòu)改變?cè)斤@著和穩(wěn)固，斷電后應(yīng)更容易保持住。設(shè)計(jì)滿足要求的兩套材料體系非常困難，有時(shí)候不得不以犧牲集成密度為代價(jià)而采用大尺寸的硅基晶體管作為開(kāi)關(guān)器件。

李黃龍（右三）參加劍橋畢業(yè)典禮

那么，如何打破這一矛盾呢？針對(duì)這一問(wèn)題，李黃龍及團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)產(chǎn)生這一矛盾的深層次材料機(jī)制進(jìn)行反思意識(shí)到，電流的焦耳熱效應(yīng)與場(chǎng)效應(yīng)協(xié)同作用于離子結(jié)構(gòu)的變化是一個(gè)根源，這導(dǎo)致離子結(jié)構(gòu)變化的穩(wěn)定性單調(diào)地依賴于電流強(qiáng)度。因此，找到一種內(nèi)部焦耳熱效應(yīng)能與場(chǎng)效應(yīng)對(duì)抗競(jìng)爭(zhēng)的新材料是關(guān)鍵。對(duì)照元素周期表，通過(guò)對(duì)單質(zhì)材料和化合物材料電學(xué)和熱學(xué)性質(zhì)的分析，李黃龍及團(tuán)隊(duì)驚喜地發(fā)現(xiàn)了碲這種新型半導(dǎo)體材料具有低熔點(diǎn)、低熱導(dǎo)率和電化學(xué)活性等滿足需求的綜合物理性質(zhì)，是其他材料所不具備的。這些性質(zhì)使得碲導(dǎo)電通道結(jié)構(gòu)能夠在電流的電場(chǎng)作用下生長(zhǎng)出來(lái)，并在小電流下能被穩(wěn)定?。坏诖箅娏飨滤鼤?huì)因焦耳熱作用而被熔斷，從而恢復(fù)原狀，這樣能同時(shí)滿足突觸器件和開(kāi)關(guān)器件兩種工作狀態(tài)下的性能需要。如此一來(lái)，碲也就成為一種可能用于制造突觸陣列的通用材料，這一可能性也在實(shí)驗(yàn)上得到了原型驗(yàn)證。相關(guān)研究為以大規(guī)模集成為基礎(chǔ)的類腦計(jì)算空間復(fù)雜度提供了新的材料解決方案，研究成果在國(guó)際期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上發(fā)表。值得一提的是，一篇引用了李黃龍這項(xiàng)工作的綜述論文（ACS Nano）指出，碲的單原子鏈特征結(jié)構(gòu)具備使器件獲得極限微小尺寸的潛力。

類腦計(jì)算的另一個(gè)關(guān)鍵要素是以豐富動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的時(shí)間構(gòu)型復(fù)雜度。傳統(tǒng)的硅基晶體管和憶阻器件還主要以準(zhǔn)靜態(tài)方式進(jìn)行工作，難以模擬人腦復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)行為。神經(jīng)元閾上的放電和閾下的振蕩是認(rèn)知功能的一個(gè)重要基礎(chǔ)，但在傳統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方式中需要幾十個(gè)晶體管才能模擬一個(gè)簡(jiǎn)單的放電神經(jīng)元，利用憶阻器也需要額外的、較大尺寸的電容或電阻配合，才能實(shí)現(xiàn)一個(gè)振蕩神經(jīng)元。如何在較小硬件開(kāi)銷的前提下提升器件的神經(jīng)形態(tài)動(dòng)力學(xué)功能是李黃龍及團(tuán)隊(duì)關(guān)注的又一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。

在前一個(gè)碲半導(dǎo)體突觸陣列器件研究的基礎(chǔ)上，李黃龍及團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)照生物神經(jīng)機(jī)理發(fā)現(xiàn)，碲導(dǎo)電通道結(jié)構(gòu)的電化學(xué)生長(zhǎng)和焦耳熱熔斷恰恰對(duì)應(yīng)上了神經(jīng)元膜電位的鈉離子內(nèi)流去極化過(guò)程和鉀離子外流重極化過(guò)程。基于此，他們進(jìn)一步提出了基于碲半導(dǎo)體的人工神經(jīng)元器件技術(shù)，借助碲半導(dǎo)體獨(dú)特的綜合物理性質(zhì)，不僅提高了神經(jīng)形態(tài)器件的仿生能力，還實(shí)現(xiàn)了閾上放電和閾下振蕩全功能的單器件人工神經(jīng)元，研究成果在國(guó)際期刊《先進(jìn)電子材料》（Advanced Electronic Materials）上發(fā)表。一篇引用了李黃龍這項(xiàng)工作的綜述論文（Advanced Materials）列舉了時(shí)下各種閾上放電和閾下振蕩人工神經(jīng)元器件技術(shù)，碲半導(dǎo)體神經(jīng)元是唯一的非硅基CMOS全功能神經(jīng)元器件技術(shù)。碲神經(jīng)元器件的實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步拓展了碲半導(dǎo)體的神經(jīng)形態(tài)應(yīng)用。

賦能“類腦計(jì)算”未來(lái)

李黃龍和碲半導(dǎo)體及神經(jīng)形態(tài)器件的故事還遠(yuǎn)未結(jié)束，他和團(tuán)隊(duì)正試圖通過(guò)更深入的研究回答一個(gè)有趣且有長(zhǎng)遠(yuǎn)意義的問(wèn)題——如果硅半導(dǎo)體是數(shù)字計(jì)算機(jī)的材料基礎(chǔ)，那么碲半導(dǎo)體是否可能成為類腦計(jì)算機(jī)的材料基礎(chǔ)呢？作為清華大學(xué)類腦計(jì)算研究中心的一名青年骨干研究人員，李黃龍此前還參與了以空間構(gòu)型復(fù)雜度和時(shí)間構(gòu)型復(fù)雜度異構(gòu)融合為基礎(chǔ)的“天機(jī)”類腦計(jì)算芯片研發(fā)。初代“天機(jī)”芯片采用的是28納米的硅工藝制程。更長(zhǎng)遠(yuǎn)的，李黃龍承擔(dān)了從底層元器件上對(duì)硅基類腦計(jì)算芯片進(jìn)行顛覆性再設(shè)計(jì)的研究任務(wù)。

除從事神經(jīng)形態(tài)器件的研究之外，李黃龍如今還在清華大學(xué)精密儀器系承擔(dān)著教學(xué)工作。他非常清楚，類腦計(jì)算的不斷向前發(fā)展需要一代又一代科研人員前赴后繼，因此，他愿意竭盡全力培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新力。在教學(xué)過(guò)程中，他非常尊重學(xué)生的研究想法，盡最大的能力為學(xué)生搭建發(fā)揮創(chuàng)意的舞臺(tái)，愿意在可控范圍內(nèi)讓學(xué)生動(dòng)手驗(yàn)證自己的科研想法正確與否，從而最大限度地激發(fā)學(xué)生獨(dú)立思考的熱情和能力。他曾在2019年帶領(lǐng)兩名本科生到英國(guó)劍橋參加國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議并做海報(bào)展示，也指導(dǎo)完成了以本科生為第一作者的研究論文發(fā)表，其中一名本科生之后獲得清華大學(xué)本科生特等獎(jiǎng)學(xué)金（本科生最高榮譽(yù)，每年10人）。不僅如此，出于類腦計(jì)算領(lǐng)域跨學(xué)科交流的需求，他還建議深化推進(jìn)高等教育學(xué)科制度改革，考慮以類腦計(jì)算為改革試點(diǎn)，鼓勵(lì)研究型大學(xué)自主設(shè)置新興交叉學(xué)科，深化和擴(kuò)大學(xué)科交叉，推動(dòng)文理滲透、理工交叉、醫(yī)工融合，以推動(dòng)類腦計(jì)算事業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

隨著越來(lái)越多的制造工廠開(kāi)始走向智能化，人工智能服務(wù)機(jī)器人愈加廣泛地走進(jìn)千家萬(wàn)戶，未來(lái)，類腦計(jì)算有望像幾十年前數(shù)字計(jì)算機(jī)誕生那樣再度改變我們的生活和工作方式。站在科技浪潮奔涌的前端，李黃龍及其同伴要做的，就是以神經(jīng)形態(tài)為鑰，尋找半導(dǎo)體器件進(jìn)化密碼，用一個(gè)又一個(gè)創(chuàng)新性成果，推動(dòng)智能化社會(huì)健康有序地向前發(fā)展。正如他在“第一屆中國(guó)科技青年論壇”總論壇上所展望的：“屆時(shí)，您也許正戴著搭載了我和團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的類腦芯片的V R眼鏡穿越回到這次演說(shuō)現(xiàn)場(chǎng)，看這一群年輕人夢(mèng)想成真之前心中有夢(mèng)、篤行不怠的精氣神兒。”李黃龍堅(jiān)信，夢(mèng)想照進(jìn)現(xiàn)實(shí)并不遙遠(yuǎn)。

專家簡(jiǎn)介

李黃龍，清華大學(xué)精密儀器系長(zhǎng)聘副教授。2010年獲北京大學(xué)物理學(xué)學(xué)士學(xué)位，2014年獲劍橋大學(xué)電子工程博士學(xué)位，同年回國(guó)進(jìn)入清華大學(xué)精密儀器系從事博士后研究工作，2017年留校被聘任為助理教授，2019年晉升副教授。入選2019年中國(guó)科協(xié)“青年人才托舉工程”和2020年北京腦科學(xué)與類腦研究中心“北腦青年學(xué)者”項(xiàng)目。研究方向?yàn)椋喊雽?dǎo)體信息器件、神經(jīng)形態(tài)工程、半導(dǎo)體信息材料、計(jì)算材料學(xué)等，先后提出基于碲半導(dǎo)體的突觸陣列器件技術(shù)和人工神經(jīng)元器件技術(shù)，參與全球首款異構(gòu)融合類腦芯片——清華大學(xué)“天機(jī)”芯片的開(kāi)發(fā)工作等。曾在《自然·通訊》（Nature Communications）、《先進(jìn)材料》（Advanced Materials）等學(xué)術(shù)期刊發(fā)表研究成果多篇。