电化学|像水这样简单的液体如何能进行复杂的计算海淀|服务保障|科技|操作系统

江苏激光联盟导读：
像水这样简单的液体如何能进行复杂的计算。
经过几十年的惊人发展，基于半导体的计算技术的进展开始放缓，因为晶体管在尺寸和速度上达到了物理极限。然而，对计算的需求持续增长，特别是在人工智能领域，神经网络通常有数百万个参数。解决这个问题的一种方法是储层计算，由大阪大学领导的一个研究小组，以及来自东京大学和北海道大学的同事，已经开发了一个基于法拉第电流中的电化学反应的简单系统，他们相信这将推动该领域的发展。

文章插图

在水库计算中，信息的传播就像水体表面的波纹;因此，使用了术语“水库”。图中的水下电极是本研究中实际使用的多端电极。来源：Megumi Akai-Kasaya等
【电化学|像水这样简单的液体如何能进行复杂的计算】
油藏计算是计算中一个相对较新的概念。与传统的在半导体芯片上运行的二进制程序不同，非线性动力系统的反应——储存器——被用来执行大部分的计算。从量子过程到光学激光元件，各种非线性动力学系统都被认为是储层。在这项研究中，研究人员观察了电化学溶液的离子电导率。

“我们的简单测试设备由90对平面电极组成，离子溶液滴在电极表面，”该研究的主要作者kasaya教授解释说。响应电压对输入电压的响应被用作储层的响应。这种电压响应是由于通过溶液的离子电流和电化学电流。这种输入-输出关系既非线性又可再现，适合于油藏计算。设备上独特的多路数据采集系统控制读出节点，从而实现并行测试。

物理油藏计算和分子油藏的构建。(a)传统储层计算结构。(b)储层物理计算系统的概念。来源：Megumi Akai-Kasaya 等, Advanced Science

研究人员使用该设备来评估两种液体:溶液中的多金属氧酸盐分子和去离子水。系统显示节点之间的“前馈连接”，无论使用哪个样本。然而，也有不同之处。“多金属氧酸盐溶液增加了响应电流的多样性，这使得它能够很好地预测周期信号，”Akai-Kasaya教授说。“但事实证明，去离子水最适合解决二阶非线性问题。”这些解决方案的良好性能表明，它们在更复杂的任务中具有潜力，如手写字体识别、孤立的单词识别和其他分类任务。

(a)聚氧金属酸盐(POM)分子的结构。(b)基于电化学反应的储层示意图。(c) POM溶液(左)和去离子水(右)对正弦信号的响应及其对四倍正弦(QDW)目标信号的预测性能。(d) POM解和水对非线性目标信号的预测性能。来源：Megumi Akai-Kasaya 等, Advanced Science

研究人员认为，质子或离子转移在短时间内发生最小的电化学反应，有潜力发展成为一个更强大的计算系统，成本低，能源效率高。该系统的简单性为开发基于电化学离子反应的计算系统提供了令人兴奋的新机会。

文章插图

物理油藏计算(RC)和分子油藏构建的说明。a)传统储层计算结构。b)物理RC系统的概念。c)平面电极测试装置。d)拟建溶液储层测量流程图。

来源：Physical Implementation of Reservoir Computing throughElectrochemical Reaction, Advanced Science (2021). DOI: 10.1002/advs.202104076
江苏激光联盟陈长军原创作品！