清華微納電子系任天令團(tuán)隊(duì)在機(jī)器學(xué)習(xí)器件上取得突破
清華新聞網(wǎng)10月19日電 10月17日，清華大學(xué)微納電子系任天令教授團(tuán)隊(duì)在《自然通訊》（Nature Communications）上發(fā)表了題為《面向機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用的馬爾科夫鏈算法單器件集成》(“A hardware Markov chain algorithm realized in a single device for machine learning”)的研究論文。該工作突破性地實(shí)現(xiàn)了馬爾科夫鏈算法集成到單個(gè)納米尺度器件（器件面積僅：500納米x 500納米）,為機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用大幅降低硬件開(kāi)銷(xiāo)。
馬爾科夫鏈器件測(cè)試結(jié)果：（a）基于二維材料SnSe自然氧化層的阻變存儲(chǔ)器，核心功能區(qū)面積僅500納米x 500納米；（b）具有獨(dú)特的雙臺(tái)階跳變特性；（c）器件內(nèi)具備的五個(gè)態(tài)歸納為馬爾科夫鏈中的三個(gè)態(tài)；（d）狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率隨著循環(huán)次數(shù)增加而穩(wěn)定；（e）實(shí)驗(yàn)中獲得的馬爾科夫鏈；（f）作為隨機(jī)數(shù)發(fā)生器其理論與實(shí)驗(yàn)的概率偏差低于5%。
馬爾科夫鏈，因安德烈·馬爾科夫（A.A.Markov，1856－1922）得名，是指數(shù)學(xué)中具有馬爾科夫性質(zhì)的離散事件隨機(jī)過(guò)程。該過(guò)程中在給定當(dāng)前知識(shí)或信息的情況下，過(guò)去（即當(dāng)前以前的歷史狀態(tài)）對(duì)于預(yù)測(cè)將來(lái)（即當(dāng)前以后的未來(lái)狀態(tài)）是無(wú)關(guān)的。馬爾科夫鏈，可廣泛應(yīng)用在天氣預(yù)測(cè)、語(yǔ)音識(shí)別、金融領(lǐng)域股指建模和DNA序列分析等方面。目前較常用的實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)的方案都是基于軟件算法上實(shí)現(xiàn)的，這種方法消耗了大量的硬件資源。例如，用傳統(tǒng)方法實(shí)現(xiàn)三固定概率隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器就需要約13700個(gè)晶體管，使得硬件開(kāi)銷(xiāo)較大，而傳統(tǒng)單一阻變層的阻變存儲(chǔ)器又不具備馬爾可夫鏈特性。因此，亟需一種集成機(jī)器學(xué)習(xí)算法的新型阻變存儲(chǔ)器，大幅度減少實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)所需的硬件代價(jià)。
任天令教授團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)二維阻變存儲(chǔ)器全算法集成至單器件。如圖所示，采用SnSe的自然氧化層SnOx，構(gòu)成SnOx/SnSe/SnOx “三明治”結(jié)構(gòu)能夠形成五個(gè)不同的阻態(tài)，通過(guò)歸類(lèi)可分為三個(gè)狀態(tài)，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其具備馬爾科夫性。借助器件的不同狀態(tài)及狀態(tài)轉(zhuǎn)移概率矩陣，采用單個(gè)器件實(shí)現(xiàn)了三固定概率隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器，能夠產(chǎn)生超過(guò)105個(gè)隨機(jī)數(shù)，經(jīng)NIST隨機(jī)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證擁有突出實(shí)用化潛力。該器件產(chǎn)生的固定概率隨機(jī)數(shù)對(duì)于模擬退火，遺傳算法等人工智能實(shí)現(xiàn)具有重要意義。利用該器件陣列，可實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)二進(jìn)制更高效的多位多進(jìn)制隨機(jī)數(shù)，極大節(jié)約了硬件資源。未來(lái)基于該器件的陣列可模擬三維隨機(jī)游走，對(duì)實(shí)現(xiàn)智能推薦系統(tǒng)和社交網(wǎng)絡(luò)硬件構(gòu)建等應(yīng)用具有重要的潛在價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。
近年來(lái)，任天令教授重點(diǎn)探索基于二維材料的人工智能器件基礎(chǔ)研究和實(shí)用化應(yīng)用，在新型石墨烯等二維材料人工智能器件方面已獲得了多項(xiàng)創(chuàng)新成果，如石墨烯人工喉（榮獲科技導(dǎo)報(bào)評(píng)選的2017年“中國(guó)十大重大技術(shù)進(jìn)展”）、石墨烯仿生突觸器件、仿生石墨烯壓力傳感器等相關(guān)成果曾多次發(fā)表于《自然通訊》（Nature Communications)、《先進(jìn)材料》(Advanced Materials)、《納米快報(bào)》(Nano Letters)、《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)納米》(ACS Nano)、國(guó)際電子器件大會(huì)（IEDM）等。
清華大學(xué)微納電子系助理教授田禾和博士生王雪峰是文章的共同第一作者，清華大學(xué)微納電子系任天令教授及其團(tuán)隊(duì)教師田禾是論文的通訊作者，該研究成果得到了科技部、國(guó)家自然基金委和北京市自然基金委等項(xiàng)目的支持。
論文鏈接:
https://www.nature.com/articles/s41467-018-06644-w
供稿：微納電子學(xué)系 編輯：華山 審核：襄楠
