科學技術的進步同時也帶來了更加復雜和更具挑戰(zhàn)性的問題，大自然以最神奇的方式為人類解決各種難題提供源源不斷的靈感，群體智能就是一個很好的例子。在蟻群等復雜系統(tǒng)中，個體通過遵循簡單規(guī)則發(fā)生非線性相互作用可以使得整體表現(xiàn)出個體所不具備的新的結構、性質或功能（圖1），這種涌現(xiàn)行為展現(xiàn)出的強大智慧可以作為一種高級計算手段用于求解一些傳統(tǒng)計算機難以處理的復雜運算問題。因此設計和開發(fā)能夠實現(xiàn)類似群體智能行為的多智能體硬件系統(tǒng)是未來構建大規(guī)模、高能效、自適應、高魯棒人工智能系統(tǒng)的關鍵。然而，群體這一復雜系統(tǒng)中個體數(shù)量的龐大性、初始分布的隨機性及后續(xù)復雜的演化行為極大增加了其硬件實現(xiàn)的困難程度，利用傳統(tǒng)規(guī)則網(wǎng)絡很難模擬其復雜的動力學行為。

圖1.自然界中的多智能體系統(tǒng)

針對這一關鍵問題，北京大學集成電路學院/集成電路高精尖創(chuàng)新中心黃如院士-楊玉超教授課題組從電場調控下導電細絲的生長動力學行為出發(fā)，利用憶阻器件自身物理演化規(guī)律首次構建了能夠高度映射群體智能行為的多智能體自組織演化微觀計算系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，大量隨機分布的銀納米團簇作為智能體在電場作用下發(fā)生自發(fā)、動態(tài)、實時的電化學反應和遷移行為，基于受電場加速的正反饋機制實現(xiàn)自組織演化。初始路徑長度微小的差異通過銀納米團簇之間的非線性相互作用被放大，最終導電細絲的連接路徑符合最優(yōu)化的求解原則，在求解相關問題時具備天然的優(yōu)勢（圖2）。

圖2.基于憶阻效應構建的分布式多智能體系統(tǒng)

在技術路線上，團隊首先在器件層面對銀納米團簇自組織演化的基本物理機制進行研究，并提煉出銀納米團簇演化與群體智能行為在原理上的共性。其中，銀納米團簇演化過程中涉及到的動力學因素為后續(xù)復雜運算問題的靈活映射和高效求解提供了有效手段。在此基礎上，利用銀團簇演化受電場調控的特點在單元層面構建了距離調制和電壓調制兩種基本調制單元，并演示了通過距離-電壓混合調制模式整合信息從而降低求解復雜度的能力。進一步，將兩種單元結構作為基本模塊在級聯(lián)層面提出了并聯(lián)和串聯(lián)兩種集成方案，為大規(guī)模復雜運算問題的求解提供了可行方案。基本調制單元和單元集成方案為問題求解提供了通用的結構和方法，利用構建的分布式多智能體自組織演化微觀計算系統(tǒng)成功演示了對圖優(yōu)化和路徑規(guī)劃問題的高效智能求解，計算所需的時間復雜度僅為O(1)。

本研究提出的多智能體自組織演化計算實現(xiàn)方案在表達和處理信息時具備高能效、自適應、高容錯等優(yōu)勢，大量銀團簇作為智能體基于正反饋機制在整個解空間內通過自組織演化實現(xiàn)并行物理尋優(yōu)，可代替繁瑣的窮舉操作，顯著降低計算所需要的開銷。這種利用器件自身物理演化規(guī)律實現(xiàn)智能運算的思路為復雜運算問題的映射和求解提供了全新的角度和方法，有望作為一項全新的技術為非馮計算架構注入強大生命力。

相關成果以「A Distributed Nanocluster Based Multi-Agent Evolutionary Network」為題，發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。北京大學集成電路學院2017級博士生徐麗瑩為第一作者，楊玉超教授、黃如院士為通訊作者。

黃如院士-楊玉超教授團隊長期深耕憶阻器、類腦計算、存算一體智能芯片研究，迄今為止累計發(fā)表Nature Electronics、Nature Reviews Materials、Nature Nanotechnology、Nature Communications、Science Advances、IEDM等期刊和會議論文130余篇，2篇入選TOP 0.1% ESI熱點論文，11篇入選TOP 1% ESI高被引論文，研究工作在國際上形成重要影響力。

該研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家杰出青年基金、國家自然科學基金委后摩爾重大研究計劃、111計劃等項目以及北大-百度基金、霍英東教育基金會和騰訊基金會的支持。

–北京大學集成電路學院