剛剛拿了諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的金屬有機(jī)框架（MOFs）不僅能存水、存二氧化碳、儲氫，還能用來“蓋電腦”，甚至給硅基芯片一個(gè)拋開傳統(tǒng)馮·諾依曼架構(gòu)的機(jī)會，真正地模擬人類大腦進(jìn)行神經(jīng)信號傳遞。

01

一枚“水”做的類腦芯片

近日澳大利亞莫納什大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)成功開發(fā)出一種“液體芯片”，它不僅能計(jì)算，還能“記住”你上一步干了什么——這就是科學(xué)家們一直想模擬的計(jì)算與存儲一體的“超級節(jié)能大腦”，也被稱為“神經(jīng)芯片”。

比較特別的是，這次科學(xué)家們突破硅基芯片局限開辟新路徑，使用液態(tài)電路做出一枚只有硬幣大小的納米流體芯片。

所謂液態(tài)電路，簡單來說就是用溶于水的離子來跑電路，是不是有點(diǎn)像鋰離子動(dòng)力電池？液態(tài)電路確實(shí)是用“離子流”代替?zhèn)鹘y(tǒng)“電流”來進(jìn)行信息處理，可以說是一種利用液體中的帶電離子作為信息載體，來代替?zhèn)鹘y(tǒng)固態(tài)電路中電子的新型信息處理系統(tǒng)。

莫納什大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)的水基芯片，靠的就是內(nèi)部這個(gè)MOF結(jié)構(gòu)

在芯片納米級水通道中，質(zhì)子以超越傳統(tǒng)芯片千倍的速度穿梭，模擬著人類大腦的神經(jīng)信號傳遞。當(dāng)一束質(zhì)子流在復(fù)雜的納米通道網(wǎng)絡(luò)中疾馳，它們的行為不再遵循傳統(tǒng)的線性規(guī)律，而是像人類神經(jīng)元之間的信號傳遞一樣，呈現(xiàn)出非線性、自適應(yīng)的特性。

至于所用的核心材料，就是剛剛獲得諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)肯定的金屬有機(jī)框架。研究團(tuán)隊(duì)正是利用MOF才能構(gòu)建出納米級甚至埃米級分層通道系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)精確的離子傳輸控制。

02

MOF“水上樂園”

兩條隧道，兩種規(guī)則

準(zhǔn)確地說，團(tuán)隊(duì)用到的是基于MOFs的納米流體晶體管器件（h-MOFNT）。

對于MOFs我們應(yīng)該不算陌生了，它是一種精巧的“分子建筑”，其結(jié)構(gòu)原理堪比微觀世界的“搭積木”，而且是里面別有洞天，外面看只不過是小小一“芥子”。

MOFs不僅實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的可控性，也突破了材料的物理極限。它們擁有前所未有的超大比表面積，巨大的內(nèi)部空間讓材料能高效吸附、儲存或分離氣體與液體，而且其孔隙結(jié)構(gòu)具有可調(diào)性。研究者可根據(jù)不同應(yīng)用需求，精確調(diào)整框架內(nèi)部的化學(xué)環(huán)境。

那在這個(gè)“水”晶體里它起到了什么作用呢？

傳統(tǒng)芯片制造其實(shí)就是想盡辦法在納米尺度的硅襯底上刻畫圖案，但澳大利亞的研究員們不是，他們是在修建納米級的“水上樂園”。

研究團(tuán)隊(duì)用高能離子束，在一片塑料薄膜上“轟”出幾條極其微小的錐形隧道；再通過化學(xué)手段，讓MOFs這種“海綿晶體”直接在隧道里長出來，填滿整個(gè)隧道。

隧道也是不同的，有兩種:一種比較寬，有2納米；另一種隧道只有0.6納米，也就是6埃米那么寬。兩種不同寬度的隧道交織在一起，形成了MOF內(nèi)部的3D異質(zhì)結(jié)構(gòu)接面——這個(gè)可是關(guān)鍵。

因?yàn)檠芯繄F(tuán)隊(duì)又發(fā)現(xiàn)，這個(gè)結(jié)構(gòu)可以選擇性地控制質(zhì)子和金屬離子的流動(dòng)。比如金屬離子就只能在納米通道里傳輸，跟二極管中的電流很像；但如果是質(zhì)子，整個(gè)流動(dòng)狀態(tài)就會變得特別不穩(wěn)定，直接實(shí)現(xiàn)了離子特異性的非線性傳輸——說白了就是模仿我們大腦的神經(jīng)傳輸。

當(dāng)施加的電壓超過一個(gè)閾值時(shí)，質(zhì)子才會開始亂動(dòng)，從納米級的通道跳到埃米級通道，此時(shí)它們又會因?yàn)槟芰空系K太高而卡住、積聚。這堆積在兩個(gè)通道處的質(zhì)子會瞬間形成一個(gè)內(nèi)建電勢，像道墻一樣影響質(zhì)子的傳導(dǎo)，使得電流飽和。

這道“墻”能大概存在十秒鐘，直到積聚的質(zhì)子消散掉，這其實(shí)就是“憶阻器”的特性：其電阻狀態(tài)會隨著先前通過的電流而改變，這個(gè)是神經(jīng)學(xué)習(xí)和記憶功能的基礎(chǔ)所在。

03

低能耗AI的潛力新星

這確實(shí)是離子電子學(xué)領(lǐng)域的一大突破，在此之前，還沒有哪個(gè)研究團(tuán)隊(duì)能在納米流體器件中觀察到質(zhì)子的飽和非線性傳導(dǎo)現(xiàn)象，即類腦神經(jīng)突觸的表現(xiàn)。

團(tuán)隊(duì)這次在論文中展示的是一個(gè)包含多條MOF通道的小型流體電路，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該芯片不僅能像晶體管一樣響應(yīng)電壓變化，還如前所述，展現(xiàn)出記憶效應(yīng)。這說明它能夠模仿大腦神經(jīng)元的可塑性，意味著它既能計(jì)算又能學(xué)習(xí)，就像生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)一樣。

最重要的是，與需要精密半導(dǎo)體制造工藝的傳統(tǒng)芯片不同，這種水基芯片通過溶液中的離子運(yùn)動(dòng)來傳遞信息，能耗會大幅降低。雖然目前它仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，但其低能耗、高并行性的特點(diǎn)，不正好契合了人工智能計(jì)算對能效的極致追求？

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編輯｜張毅

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