哈佛大学制造水中离子电路计算机

在许多方面，人脑是有史以来最伟大的计算系统。与此同时，当今世界运行的数字计算机还很远，这让研究人员想知道差异在哪里，以及我们如何弥合这一差距。

人脑和数字计算机之间的一个巨大区别是如何进行计算。在数字计算机中，电子是通过半导体材料操纵的。在大脑中，离子在液体中被操纵。

为了复制这一过程，哈佛大学的研究人员最近发表了一篇论文，描述了一种新的离子电路。在这篇文章中，我们将讨论离子计算以及哈佛大学的新研究。

 

什么是离子电路？

总的来说，生物体所依赖的生理过程是由离子在水环境中的选择性传输决定的。例如，细胞的功能基于其膜上的生物通道，这有助于细胞内和细胞外离子和分子的交换。

 

离子双极结晶体管的例子。图片由Lucas等人提供

 

对于有眼光的观察者来说，人们可能会意识到，这本身就是一种电路，尽管不是更传统的意义上的电路。而且，尽管这些“离子电路”不一定是传统的，但众所周知，在许多方面，它们的性能和特性远远超过了数字计算机。

尽管水中的离子移动速度可能比半导体中的电子慢，但许多人认为，离子物种的多样性可以为更丰富的信息处理领域提供帮助，这可能有利于机器学习等领域。

因此，为了尝试和利用这种行为，研究人员一直在寻找离子电路，在离子电路中，离子在水溶液中的运动可以模仿传统的计算技术。到目前为止，在为离子电路创建组件（如二极管或晶体管）方面的研究尝试是成功的，但还没有人用离子组件创建完整的电路。

 

哈佛大学新研究

哈佛大学的研究人员在发表论文描述一种用于机器学习计算的新型离子电路时，对这种说法提出了质疑。具体来说，在他们的论文中，研究人员描述了在离子电路中创建模拟乘法和累加（MAC）块。

MAC的组成部分是一种新型离子晶体管，它利用了Harvardin更昂贵的研究，研究人员发现他们能够对某些水溶液的pH值进行电子编程。

 

哈佛大学的离子芯片。图片由哈佛大学提供

 

在MAC研究中，该团队在由醌分子组成的溶液中创建了一个由两个同心环电极和一个中心圆盘电极组成的离子晶体管。该设备通过产生氢原子，对中心盘周围的pH值进行电化学操作，此时中心盘可以向水中产生与局部pH成比例的离子电流。通过这种方式，溶液的pH值充当晶体管栅极，有效地产生离子晶体管。

然后，为了从晶体管到MAC，该团队以这样一种方式构建晶体管，即总离子电流等于单个晶体管电流的乘积。然后将这些乘法单元排列成16x16阵列，以创建矩阵乘法块。因此，利用pH控制和他们独特的离子晶体管，研究人员能够制作出MAC块，并将其应用于机器学习计算。

 

有用的应用程序？

虽然哈佛大学的研究团队承认，他们的新型离子MAC远没有传统数字MAC那么快，但他们确实相信，它有可能最终比传统解决方案更高效。理想情况下，研究人员希望离子电路能够为边缘计算等应用提供更高效、更丰富的计算资源。