수중 신경망 컴퓨팅

수백 개의 이온 트랜지스터로 구성된 이온 회로(제공: Woo-Bin Jung/Harvard SEAS)

스마트폰, 컴퓨터, 데이터센터의 마이크로프로세서는 고체 반도체를 통해 전자를 조작해 정보를 처리하지만 우리 뇌는 다른 시스템을 갖고 있다. 그들은 정보를 처리하기 위해 액체의 이온 조작에 의존합니다.

뇌에서 영감을 받은 연구자들은 오랫동안 수용액에서 '이온성'을 개발하기 위해 노력해 왔습니다. 물속의 이온은 반도체의 전자보다 느리게 움직이지만, 과학자들은 다양한 물리적, 화학적 특성을 가진 이온종의 다양성을 활용하여 더 풍부하고 다양한 정보 처리를 수행할 수 있다고 생각합니다.

그러나 이온 컴퓨팅은 아직 초기 단계입니다. 지금까지 실험실에서는 이온 다이오드 및 트랜지스터와 같은 개별 이온 장치만 개발했지만, 지금까지 이러한 장치를 더 복잡한 컴퓨팅 회로에 통합한 사람은 아무도 없습니다.

하버드 SEAS(John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences) 연구팀은 생명공학 스타트업인 DNA Script와 협력하여 수백 개의 이온 트랜지스터로 구성된 이온 회로를 개발하고 신경망 컴퓨팅의 핵심 프로세스를 수행했습니다. .

이번 연구는 Advanced Materials에 게재됐다.

연구진은 최근 개척한 기술을 바탕으로 새로운 유형의 이온 트랜지스터를 구축하는 것부터 시작했습니다. 트랜지스터는 퀴논 분자의 수용액으로 구성되며, 과녁처럼 중앙 디스크 전극이 있는 두 개의 동심원 고리 전극과 인터페이스됩니다. 두 개의 링 전극은 수소 이온을 생성하고 가두어 중앙 디스크 주변의 국지적 pH를 전기화학적으로 낮추고 조정합니다. 중앙 디스크에 전압이 가해지면 전기화학 반응이 일어나 디스크에서 물로 이온 전류가 생성됩니다. 반응 속도는 국소적인 pH를 조정함으로써 빨라지거나 느려질 수 있습니다. 즉, 이온 전류를 증가시키거나 감소시킬 수 있습니다. 즉, pH는 수용액에서 디스크의 이온 전류를 제어하거나 제어하여 전자 트랜지스터의 이온 대응물을 생성합니다.

그런 다음 그들은 디스크 전류가 디스크 전압과 트랜지스터를 게이팅하는 로컬 pH를 나타내는 "무게" 매개변수의 산술 곱셈이 되는 방식으로 pH 게이트 이온 트랜지스터를 설계했습니다. 그들은 이러한 트랜지스터를 16 × 16 배열로 구성하여 개별 트랜지스터의 아날로그 산술 곱셈을 아날로그 행렬 곱셈으로 확장했으며, 로컬 pH 값의 배열은 신경망에서 발생하는 가중치 행렬 역할을 했습니다.

수백 개의 개별 이온 트랜지스터 어레이(중앙)가 있는 CMOS 칩(왼쪽)(오른쪽). (제공: 정우빈/Harvard SEAS)

SEAS의 박사후 연구원이자 논문의 제1저자인 정우빈은 "행렬 곱셈은 인공 지능을 위한 신경망에서 가장 널리 사용되는 계산입니다."라고 말했습니다. "우리의 이온 회로는 전기화학 기계를 기반으로 하는 아날로그 방식으로 물에서 매트릭스 곱셈을 수행합니다."

"마이크로프로세서는 행렬 곱셈을 수행하기 위해 디지털 방식으로 전자를 조작합니다."라고 SEAS의 전기공학 및 응용물리학과 Gordon McKay 교수이자 논문의 수석 저자인 Donhee Ham이 말했습니다. "우리의 이온 회로는 디지털 마이크로프로세서만큼 빠르거나 정확할 수는 없지만 물의 전기화학적 매트릭스 곱셈은 그 자체로 매력적이며 에너지 효율적일 가능성이 있습니다."

이제 팀은 시스템의 화학적 복잡성을 강화하려고 합니다.

"지금까지 우리는 수용성 이온 트랜지스터에서 게이팅과 이온 수송을 가능하게 하기 위해 수소와 퀴논 이온과 같은 3~4개의 이온 종만을 사용했습니다"라고 Jung은 말했습니다. "더 다양한 이온 종을 사용하고 처리할 정보의 내용을 풍부하게 만들기 위해 이를 어떻게 활용할 수 있는지 알아보는 것은 매우 흥미로울 것입니다."

이 연구는 Han Sae Jung, Jun Wang, Henry Hinton, Maxime Fournier, Adrian Horgan, Xavier Godron 및 Robert Nicol이 공동 집필했습니다. 이는 2019-19081900002 보조금에 따라 국가 정보국(ODNI), 지능 고급 연구 프로젝트 활동(IARPA)에서 부분적으로 지원되었습니다.