“用青春之姿勇闯时代征程Q以U技之势奏响逐梦乐章。?span lang="EN-US">2023q?span lang="EN-US">5?span lang="EN-US">8日，在由中国U学技术协?x)主办?span lang="EN-US">?/span>W一届中国科技青年论坛?/span>总论坛上Q从全国3000多名参赛选手中脱颖而出?span lang="EN-US">10位青q科技工作者就各自的研I域发表了_ֽ展演。清华大学精密A器系副教授李黄龙在现Z未来c脑计算的虚拟媄像进行了一?span lang="EN-US">?/span>I越时空的对?span lang="EN-US">?/span>Q带大家了解了一当前科技前沿值得期待的成?span lang="EN-US">——?/span>c脑计算?/span>?/span>
2022q?span lang="EN-US">11月，李黄龙ʎ在忆阻材料、器件与pȝ国际?x)议Q?span lang="EN-US">MEMRISYSQ上作特邀报告
“脑U学和信息学是当今国际科学研I的两大热点Q类脑计是两大学科相结合的新兴研究领域Q其目标是通过借鉴的工作方式，实现人工通用?span lang="EN-US">2021q_(d)?/span>中国脑计?span lang="EN-US">?/span>正式启动Q类脑计是一个重要的l成部分?span lang="EN-US">”?/span>我有一个大胆的xQ就是让l成芯片的那些最基本的元器g也都变得像一个个经l胞(yu)那样工作?span lang="EN-US">”…?/span>深入出Q娓娓道来，在深耕神lŞ态器件方向研I多q后Q李黄龙试在不同的场合用不同的方式彰显U学的无I魅力，q是他对自己U研对象发自内心的热爱和诠释。也正因份热爱，多年以梦为马、以汗ؓ(f)泉，他收获了不少创新性成果?/span>
是机遇也是挑?/span>
作ؓ(f)U研的追梦者，李黄龙始l在感受着时代发展的脉搏，q根据国家发展需求深化着自己的研I内宏V?/span>
2023q年初，ChatGPT在世界范围内的爆火，让h工智能的发展E度更上一层楼Q也让工业、制造业、互联网服务业等众多相关行业看到了新的增长\径，无数双眼睛透过q项技术，看到了其背后巨大的应用空间与发展潜力。可以说Q一股h工智能的飓风正在ChatGPT{前沿技术的推动下，以肉眼可见的速度在全世界范围内席P而算力及(qing)更高U、更具h性化的智能计方式则是推动这场飓风更快到来的加速器?/span>
长期以来Qn为科研h员的李黄龙一直在场飓风的到来做准备?/span>
q去的半个多世纪Q集成电(sh)路业一直在摩尔定律的引g发展Q然而摆在现实面前的是，随着摩尔定律不断D极限Q单个硅片能够承载的晶体日渐饱和。硅原子的半径约0.12nmQ照此大推，当芯片工?span lang="EN-US">1nmQ基本上放不下更多的晶体管了。随着W一代硅半导体材料已l面临摩?dng)定律的极限Q数字计机的计方式已l难以ؓ(f)l，如何推动集成?sh)\产业q一步向前发展，成ؓ(f)学界与社?x)各行各业共同面临的N。面对这一巨大困局Q能够提供更高效、更具仿生性，且更低能耗算力的c脑计算Q成为破局的关键?/span>
当下Q由于科技发展与市场的需求，对神lŞ态材料的研究已经呈现遍地开q势Q包括相变材料、氧化物材料、磁性材料等Q但始终没有扑ֈ一个像传统半导体领域的材料那栯大家共同采用的材料?/span>
是挑战也是机遇，2014q_(d)刚刚在英国剑桥大学获得电(sh)子工E方向博士学位的李黄龙决定回国，q前往清华大学从事c脑计算领域经形态半g器g方向的研I工作。此前，他长期深入钻研ƈL在传l数字计机力模式下能够代替硅的新型半g材料Q在材料?qing)器件方面有着丰富的研I经验。而他回国后的研究目标很明，是致力于新型神lŞ态器件的工作机理和材料的研发Q推动类脑计的发展?/span>
立前端创新H破
U观c脑计算g发展的诸多技术\U，如何辑ֈ像h脑神l网l一般的I间构型复杂度和旉构型复杂度可谓是业界来公认的一条设计考量。要知道Qh脑中?span lang="EN-US">860亿神l元Q相当于银河pd体的数量Qƈ通过150万亿个突触互联构成了I间复杂的神l网l。ƈ且，经l织有非怸富的动力学行为，特征旉度也跨几个数量。这些是的物理基?/span>
在硅基类脑计芯片中Q需要至?span lang="EN-US">6个晶体管构成一个最单的二值突触，严重限制了芯片的集成规模。当下，国际上采用的先进制程的硅基类脑计芯片在规模上也与h脑相差了10的五六次方倍。忆d作ؓ(f)一U新型器Ӟ依靠更脓(chung)q神l组l行为的dq动机制实现了传l纯?sh)子晶体所不能实现的诸多类经功能Q仅用一个器件就可以模拟多阶的突触可塑性，且尺寸的可微~潜力大Q目前已q入H触阵列集成的技术发展阶Dc即便这P大规模突触阵列的实现仍然受制于很高的器g设计隑ֺ和集成复杂度。具体来_(d)串联在一L(fng)H触器g和相应的开兛_件是H触阵列的基本功能单元，其中开兛_件用于选通待操作的阵列单元，q免与其他单元之间形成串扰。两U器件有截然不同的工作状态和性能需求：(x)H触器g的状态断?sh)后不?x)自行退化，且能工作在小甉|下；开兛_件的状态断?sh)自发复原，要能承受大的开启电(sh)。这对于传统材料体系来说构成了一对设计矛盾：(x)对于同一材料Q从“常识”上来说Q一般电(sh)刺Ȁ大Q离子结构改变越显著和稳固，断电(sh)后应更容易保持住。设计满求的两套材料体系非常困难Q有时候不得不以牺牲集成密度ؓ(f)代h(hun)而采用大寸的硅基晶体管作ؓ(f)开兛_件?/span>
李黄龙（右三Q参加剑桥毕业典C?/span>
那么Q如何打破这一矛盾呢？针对q一问题Q李黄龙?qing)团队通过对生这一矛盾的深层次材料机制q行反思意识到Q电(sh)的焦耳热效应与场效应协同作用于离子结构的变化是一个根源，q导致离子结构变化的E_性单调地依赖于电(sh)强度。因此，扑ֈ一U内部焦耳热效应能与场效应对抗竞争的新材料是关键。对照元素周期表Q通过对单质材料和化合物材料电(sh)学和热学性质的分析，李黄龙及(qing)团队惊喜地发C这U新型半g材料h低熔炏V低热导率和?sh)化学活性等满需求的l合物理性质Q是其他材料所不具备的。这些性质使得导?sh)通道l构能够在电(sh)的?sh)场作用下生长出来，q在电(sh)下能被E_住；但在大电(sh)下它会(x)因焦耳热作用而被熔断Q从而恢复原Ӟq样能同时满突触器件和开兛_件两U工作状态下的性能需要。如此一来，也成ZU可能用于制造突触阵列的通用材料Q这一可能性也在实验上得到了原型验证。相关研Iؓ(f)以大规模集成为基的类脑计空间复杂度提供了新的材料解x案，研究成果在国际期刊《自然·通讯》（Nature CommunicationsQ上发表。值得一提的是，一引用了李黄龙这工作的lD论文Q?span lang="EN-US">ACS NanoQ指出，的单原子链特征l构具备使器件获得极限微尺寸的潜力?/span>
c脑计算的另一个关键要素是以丰富动力学为基的时间构型复杂度。传l的基晶体和忆阻器gq主要以准静态方式进行工作，难以模拟复杂的动力学行ؓ(f)。神l元阈上的放?sh)和阈下的振荡是认知功能的一个重要基Q但在传l的实现方式中需要几十个晶体才能模拟一个简单的攄(sh)经元，利用忆阻器也需要额外的、较大尺寸的?sh)容或?sh)阻配合，才能实现一个振荡神l元。如何在较小g开销的前提下提升器g的神lŞ态动力学功能是李黄龙?qing)团队关注的又一个技术难炏V?/span>
在前一个碲半导体突触阵列器件研I的基础上，李黄龙及(qing)团队通过对照生物经机理发现Q碲导电(sh)通道l构的电(sh)化学生长和焦耳热熔断恰恰对应上了经元膜?sh)位的钠d内流L化过E和钄子外重极化q程。基于此Q他们进一步提ZZ半g的h工神l元器g技术，借助半g独特的综合物理性质Q不仅提高了经形态器件的仿生能力Q还实现了阈上放?sh)和阈下振荡全功能的单器件h工神l元Q研I成果在国际期刊《先q电(sh)子材料》（Advanced Electronic MaterialsQ上发表。一引用了李黄龙这工作的lD论文Q?span lang="EN-US">Advanced MaterialsQ列举了时下各种阈上攄(sh)和阈下振荡h工神l元器g技术，半g经元是唯一的非基CMOS全功能神l元器g技术。碲经元器件的实现q一步拓展了半g的神lŞ态应用?/span>
赋能“类脑计”未?/span>
李黄龙和半g?qing)神lŞ态器件的故事q远未结束，他和团队正试N过更深入的研究回答一个有且有长q意义的问题——如果硅半导体是数字计算机的材料基础Q那么碲半导体是否可能成为类脑计机的材料基呢？作ؓ(f)清华大学c脑计算研究中心的一名青q骨q研Ih员，李黄龙此前还参与了以I间构型复杂度和旉构型复杂度异构融合ؓ(f)基础的“天机”类脑计芯片研发。初代“天机”芯片采用的?span lang="EN-US">28U米的硅工艺制程。更长远的，李黄龙承担了从底层元器g上对基c脑计算芯片q行颠覆性再设计的研IQ务?/span>
除从事神lŞ态器件的研究之外Q李黄龙如今q在清华大学_֯仪器pL担着教学工作。他非常清楚Q类脑计的不断向前发展需要一代又一代科研h员前赴后l，因此Q他愿意竭尽全力培养学生的创新力。在教学q程中，他非常尊重学生的研究xQ尽最大的能力为学生搭建发挥创意的舞台Q愿意在可控范围内让学生动手验证自己的科研想法正与否，从而最大限度地Ȁ发学生独立思考的热情和能力。他曑֜2019q带领两名本U生到英国剑桥参加国际学术会(x)议ƈ做v报展C，也指导完成了以本U生为第一作者的研究论文发表Q其中一名本U生之后获得清华大学本科生特{奖学金Q本U生最高荣誉，每年10人）。不仅如此，Zc脑计算领域跨学U交的需求，他还深化推进高等教育学科制度攚wQ考虑以类脑计ؓ(f)攚w试点Q鼓qI型大学自主讄新兴交叉学科Q深化和扩大学科交叉Q推动文理渗透、理工交叉、医工融合，以推动类脑计事业的可持l发展?/span>
随着来多的制造工厂开始走向智能化Qh工智能服务机器h愈加q泛地走q千家万P未来Q类脑计有望像几十q前数字计算生那样再度改变我们的生活和工作方式。站在科技潮奔涌的前端，李黄龙及(qing)其同伴要做的Q就是以经形态ؓ(f)钥，L半导体器件进化密码，用一个又一个创新性成果，推动化社?x)健h序地向前发展。正如他在“第一届中国科技青年论坛”总论坛上所展望的：(x)“届Ӟ(zhn)也许正戴着搭蝲了我和团队开发的c脑芯片?span lang="EN-US">VR眼镜I越回到q次演说现场Q看q一年Mh梦想成真之前心中有梦、笃行不怠的_气儿?span lang="EN-US">?/span>李黄龙坚信，梦想照进现实q不遥远?/span>
专家?/span>
李黄龙，清华大学_֯仪器p长聘副教授?span lang="EN-US">2010q获北京大学物理学学士学位，2014q获剑桥大学?sh)子工程博士学位Q同q回国进入清华大学精密A器系从事博士后研I工作，2017q留校被聘Q为助理教授，2019q晋升副教授。入?span lang="EN-US">2019q中国科?span lang="EN-US">?/span>青年人才托D工程?/span>?span lang="EN-US">2020q北京脑U学与类脑研I中?span lang="EN-US">?/span>北脑青年学?span lang="EN-US">?/span>目。研I方向ؓ(f)Q半g信息器g、神lŞ态工E、半g信息材料、计材料学{，先后提出Z半g的突触阵列器件技术和人工经元器件技术，参与全球首款异构融合c脑芯片—?/span>清华大学?/span>天机?/span>芯片的开发工作等。曾在《自然·通讯》（Nature CommunicationsQ、《先q材料》（Advanced MaterialsQ等学术期刊发表研究成果多篇?/span>
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