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“用青春之姿勇闖時代征程👰‍♂️，以科技之勢奏響逐夢樂章📍🎡。”2023年5月8日，在由中國科學技術協會主辦的“第一屆中國科技青年論壇”總論壇上，從全國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域發表了精彩展演。意昂体育平台精密儀器系副教授李黃龍在現場與未來類腦計算的虛擬影像進行了一場“穿越時空的對話”💂🏽‍♀️，帶大家了解了一項當前科技前沿值得期待的成果——“類腦計算”。

2022年11月，李黃龍赴美在憶阻材料、器件與系統國際會議（MEMRISYS）上作特邀報告

“腦科學和信息學是當今國際科學研究的兩大熱點🍼，類腦計算是兩大學科相結合的新興研究領域🌌👯‍♂️，其目標是通過借鑒人腦的工作方式👨🏽‍🦳，實現人工通用智能💇🏻‍♂️。2021年，‘中國腦計劃’正式啟動🥷🏿，類腦計算是一個重要的組成部分。”“我有一個大膽的想法，就是讓組成芯片的那些最基本的元器件也都變得像一個個人腦神經細胞那樣工作🦻🏽。”……深入淺出，娓娓道來🍾，在深耕神經形態器件方向研究多年後，李黃龍嘗試在不同的場合用不同的方式彰顯科學的無窮魅力，這是他對自己科研對象發自內心的熱愛和詮釋。也正因為這份熱愛🧖🏼，多年以夢為馬🤵🏽、以汗為泉🌝，他收獲了不少創新性成果。

是機遇也是挑戰

作為科研的追夢者，李黃龍始終在感受著時代發展的脈搏，並根據國家發展需求深化著自己的研究內容。

2023年年初，ChatGPT在世界範圍內的爆火，讓人工智能的發展程度更上一層樓😢，也讓工業、製造業、互聯網服務業等眾多相關行業看到了新的增長路徑，無數雙眼睛透過這項技術🏥，看到了其背後巨大的應用空間與發展潛力。可以說🕒，一股人工智能的颶風正在ChatGPT等前沿技術的推動下☦️，以肉眼可見的速度在全世界範圍內席卷，而算力及更高級🚿、更具人性化的智能計算方式則是推動這場颶風更快到來的加速器🚴‍♂️。

長期以來，身為科研人員的李黃龍一直在為這場颶風的到來做準備。

過去的半個多世紀，集成電路產業一直在摩爾定律的引導下發展，然而擺在現實面前的是，隨著摩爾定律不斷逼近極限🩱，單個矽基芯片能夠承載的晶體管日漸飽和。矽原子的半徑約0.12nm，照此大小推算，當芯片工藝達到1nm，基本上就放不下更多的晶體管了。隨著第一代矽半導體材料已經面臨摩爾定律的極限🫃🏽，數字計算機的計算方式已經難以為繼，如何推動集成電路產業進一步向前發展，成為學界與社會各行各業共同面臨的難題。面對這一巨大困局，能夠提供更高效、更具仿生性🛋，且更低能耗算力的類腦計算🩶，成為破局的關鍵。

當下，由於科技發展與市場的需求👨🏽‍💻，對神經形態材料的研究已經呈現遍地開花的趨勢，包括相變材料🌮、氧化物材料、磁性材料等🫎，但始終沒有找到一個像傳統半導體領域的矽材料那樣被大家共同采用的材料💂‍♂️。

是挑戰也是機遇👩‍🦽‍➡️，2014年，剛剛在英國劍橋大學獲得電子工程方向博士學位的李黃龍決定回國𓀘，並前往意昂体育平台從事類腦計算領域神經形態半導體器件方向的研究工作。此前🚈，他長期深入鉆研並尋找在傳統數字計算機算力模式下能夠代替矽的新型半導體材料，在材料及器件方面有著豐富的研究經驗。而他回國後的研究目標很明確，就是致力於新型神經形態器件的工作機理和材料的研發，推動類腦計算的發展🏌🏼‍♂️。

立足前端創新突破

縱觀類腦計算硬件發展的諸多技術路線☑️，如何達到像人腦神經網絡一般的空間構型復雜度和時間構型復雜度可謂是業界越來越公認的一條設計考量。要知道，人腦中有860億神經元，相當於銀河系天體的數量🟤，並通過150萬億個突觸互聯構成了空間復雜的神經網絡。並且🧐，神經組織有非常豐富的動力學行為🏄🏼‍♀️，特征時間尺度也跨越幾個數量級。這些是人腦智能的物理基礎↩️。

在矽基類腦計算芯片中，需要至少6個晶體管構成一個最簡單的二值突觸👩🏻‍🏭，嚴重限製了芯片的集成規模。當下🫀，國際上采用的先進製程的矽基類腦計算芯片在規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，依靠更貼近神經組織行為的離子運動機製實現了傳統純電子晶體管所不能實現的諸多類神經功能，僅用一個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，目前已進入突觸陣列集成的技術發展階段。即便這樣，大規模突觸陣列的實現仍然受製於很高的器件設計難度和集成復雜度。具體來說💎，串聯在一起的突觸器件和相應的開關器件是突觸陣列的基本功能單元，其中開關器件用於選通待操作的陣列單元🤦🏻，並避免與其他單元之間形成串擾🍞。兩種器件有截然不同的工作狀態和性能需求：突觸器件的狀態斷電後不會自行退化，且能工作在小電流下；開關器件的狀態斷電自發復原🫱🏽，要能承受大的開啟電流。這對於傳統材料體系來說構成了一對設計矛盾：對於同一材料，從“常識”上來說，一般電流刺激越大✈️，離子結構改變越顯著和穩固，斷電後應更容易保持住🚵🏿‍♀️。設計滿足要求的兩套材料體系非常困難，有時候不得不以犧牲集成密度為代價而采用大尺寸的矽基晶體管作為開關器件👆🏿。

李黃龍（右三）參加劍橋畢業典禮

那麽，如何打破這一矛盾呢？針對這一問題，李黃龍及團隊通過對產生這一矛盾的深層次材料機製進行反思意識到，電流的焦耳熱效應與場效應協同作用於離子結構的變化是一個根源，這導致離子結構變化的穩定性單調地依賴於電流強度。因此🥷🏼，找到一種內部焦耳熱效應能與場效應對抗競爭的新材料是關鍵🏄🏼‍♂️。對照元素周期表🕡，通過對單質材料和化合物材料電學和熱學性質的分析🦋，李黃龍及團隊驚喜地發現了碲這種新型半導體材料具有低熔點👂🏻、低熱導率和電化學活性等滿足需求的綜合物理性質，是其他材料所不具備的。這些性質使得碲導電通道結構能夠在電流的電場作用下生長出來👩🏼‍🚒，並在小電流下能被穩定住🕵️；但在大電流下它會因焦耳熱作用而被熔斷🧑🏽‍🎄，從而恢復原狀，這樣能同時滿足突觸器件和開關器件兩種工作狀態下的性能需要🍤。如此一來，碲也就成為一種可能用於製造突觸陣列的通用材料🛣，這一可能性也在實驗上得到了原型驗證🧗🏻‍♂️。相關研究為以大規模集成為基礎的類腦計算空間復雜度提供了新的材料解決方案🙇🏼‍♀️，研究成果在國際期刊《自然·通訊》（Nature Communications）上發表。值得一提的是，一篇引用了李黃龍這項工作的綜述論文（ACS Nano）指出，碲的單原子鏈特征結構具備使器件獲得極限微小尺寸的潛力。

類腦計算的另一個關鍵要素是以豐富動力學為基礎的時間構型復雜度🧑🏼‍🍼。傳統的矽基晶體管和憶阻器件還主要以準靜態方式進行工作，難以模擬人腦復雜的動力學行為💂🏽‍♂️。神經元閾上的放電和閾下的振蕩是認知功能的一個重要基礎，但在傳統的實現方式中需要幾十個晶體管才能模擬一個簡單的放電神經元👨‍👩‍👧，利用憶阻器也需要額外的👰🏿‍♂️、較大尺寸的電容或電阻配合，才能實現一個振蕩神經元😇。如何在較小硬件開銷的前提下提升器件的神經形態動力學功能是李黃龍及團隊關註的又一個技術難點。

在前一個碲半導體突觸陣列器件研究的基礎上，李黃龍及團隊通過對照生物神經機理發現👨，碲導電通道結構的電化學生長和焦耳熱熔斷恰恰對應上了神經元膜電位的鈉離子內流去極化過程和鉀離子外流重極化過程🪆。基於此👰🏿，他們進一步提出了基於碲半導體的人工神經元器件技術，借助碲半導體獨特的綜合物理性質，不僅提高了神經形態器件的仿生能力，還實現了閾上放電和閾下振蕩全功能的單器件人工神經元，研究成果在國際期刊《先進電子材料》（Advanced Electronic Materials）上發表🐾。一篇引用了李黃龍這項工作的綜述論文（Advanced Materials）列舉了時下各種閾上放電和閾下振蕩人工神經元器件技術，碲半導體神經元是唯一的非矽基CMOS全功能神經元器件技術。碲神經元器件的實現進一步拓展了碲半導體的神經形態應用🤭。

賦能“類腦計算”未來

李黃龍和碲半導體及神經形態器件的故事還遠未結束🔷，他和團隊正試圖通過更深入的研究回答一個有趣且有長遠意義的問題——如果矽半導體是數字計算機的材料基礎，那麽碲半導體是否可能成為類腦計算機的材料基礎呢🚥？作為意昂体育平台類腦計算研究中心的一名青年骨幹研究人員，李黃龍此前還參與了以空間構型復雜度和時間構型復雜度異構融合為基礎的“天機”類腦計算芯片研發👨🏼‍🍳🏄‍♀️。初代“天機”芯片采用的是28納米的矽工藝製程。更長遠的💆🏿‍♀️，李黃龍承擔了從底層元器件上對矽基類腦計算芯片進行顛覆性再設計的研究任務🃏。

除從事神經形態器件的研究之外，李黃龍如今還在意昂体育平台精密儀器系承擔著教學工作👩🏻‍🌾。他非常清楚🌴🤰🏽，類腦計算的不斷向前發展需要一代又一代科研人員前赴後繼🌓☆，因此，他願意竭盡全力培養學生的創新力。在教學過程中，他非常尊重學生的研究想法，盡最大的能力為學生搭建發揮創意的舞臺，願意在可控範圍內讓學生動手驗證自己的科研想法正確與否，從而最大限度地激發學生獨立思考的熱情和能力👇🏼🧑🏽‍🎓。他曾在2019年帶領兩名本科生到英國劍橋參加國際學術會議並做海報展示，也指導完成了以本科生為第一作者的研究論文發表👨‍👦👨🏽‍🔬，其中一名本科生之後獲得意昂体育平台本科生特等獎學金（本科生最高榮譽，每年10人）。不僅如此🍁，出於類腦計算領域跨學科交流的需求👓，他還建議深化推進高等教育學科製度改革，考慮以類腦計算為改革試點，鼓勵研究型大學自主設置新興交叉學科，深化和擴大學科交叉🧑🏻‍🦰，推動文理滲透、理工交叉、醫工融合，以推動類腦計算事業的可持續發展。

隨著越來越多的製造工廠開始走向智能化，人工智能服務機器人愈加廣泛地走進千家萬戶，未來🤍，類腦計算有望像幾十年前數字計算機誕生那樣再度改變我們的生活和工作方式。站在科技浪潮奔湧的前端，李黃龍及其同伴要做的🫄，就是以神經形態為鑰🧃🧑🏼‍🦳，尋找半導體器件進化密碼，用一個又一個創新性成果，推動智能化社會健康有序地向前發展。正如他在“第一屆中國科技青年論壇”總論壇上所展望的：“屆時👨‍👦，您也許正戴著搭載了我和團隊開發的類腦芯片的VR眼鏡穿越回到這次演說現場，看這一群年輕人夢想成真之前心中有夢、篤行不怠的精氣神兒。”李黃龍堅信🚔，夢想照進現實並不遙遠。

專家簡介

李黃龍，意昂体育平台精密儀器系長聘副教授🫄🏽。2010年獲北京大學物理學學士學位💅🏿，2014年獲劍橋大學電子工程博士學位，同年回國進入意昂体育平台精密儀器系從事博士後研究工作，2017年留校被聘任為助理教授，2019年晉升副教授🍪。入選2019年中國科協“青年人才托舉工程”和2020年北京腦科學與類腦研究中心“北腦青年學者”項目🧑🏻‍🎤。研究方向為✧‼️：半導體信息器件、神經形態工程、半導體信息材料、計算材料學等，先後提出基於碲半導體的突觸陣列器件技術和人工神經元器件技術，參與全球首款異構融合類腦芯片——意昂体育平台“天機”芯片的開發工作等☝🏿。曾在《自然·通訊》（Nature Communications）🤾🏻、《先進材料》（Advanced Materials）等學術期刊發表研究成果多篇👩‍💼。