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应用物理前沿推介系列No.63 | 忆阻阵列加速神经ODE求解赋能数字孪生与工业4.0

忆阻阵列加速神经ODE求解赋能数字孪生与工业4.0

数字孪生技术通过构建物理系统的精准数字化模型，实时采集并模拟运行数据，能够实时反映设备或整个生产线的状态和行为，为预测性维护、设计优化和调度提供决策支持，已在制造、能源、医疗等行业广泛应用，显著提升效率与可靠性、降低成本。凭借这一能力，已广泛应用于工业4.0制造管理、智能自动化等领域，正在改变工业生产和运营的方式。在算法方面，现有方法通常依赖离散时间数值积分与有限深度神经网络，难以避免截断误差和信息采样损失;在硬件方面，冯·诺依曼架构下存算分离、频繁模/数转换导致高延迟高能耗，且传统CMOS工艺缩放已接近物理极限。为满足高精度、低时延、低功耗的实时仿真需求，亟需突破硬件与算法协同瓶颈。已有多种基于忆阻阵列的静态神经网络推理或偏微分方程(PDE)的求解方案被报道，但主要基于数字/模拟混合架构，仍然涉及较高能耗的A/D转换，并且其网络深度有限。因此，针对神经常微分方程(ODE)求解的加速研究大多停留在仿真或半模拟阶段，缺乏完整的端到端实验验证。

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图1 基于忆阻神经常微分方程(NODE)求解器的多维度数字孪生优化

针对上述挑战，香港大学研究团队与南方科技大学、中科院微电子所、香港科技大学等团队合作，利用忆阻阵列的存算一体模拟计算能力，构建了全模拟、连续时间的神经ODE硬件加速系统，用于实现神经常微分方程求解功能。该求解器具备以下三个方面的优势(见图1)：首先，支持连续时间动力学，无需离散化采样，减小了信息丢失与截断误差;其次，通过引入等同于无限深度残差网络的神经ODE框架，提高模型表达能力且训练开销可控;最后，基于高密度1T1R忆阻阵列的模拟内存计算，实现存算一体化和零模数转换。与传统方案相比，该架构显著降低了模-数转换带来的能耗与延迟，并在多项数字孪生任务中验证了其可用性和能效优势。图2展示了该求解器在 Lorenz-96 大气动力学时间序列外推任务中的性能。该求解器不仅显著降低了推理能耗(约 673.9 倍)和时延(约 369.3 倍)，还在预测精度上超越传统基线模型，实验结果验证了忆阻器基求解器在实时数字孪生中的可行性与技术优势，为构建面向工业4.0的数字孪生系统提供了理论与技术参考。在后续研究中，还需要开发实时校准和补偿方法，解决全模拟计算中难免出现误差累积问题。此外，目前的忆阻阵列规模还十分有限，并且器件还存在非理想特性，面对更加复杂的应用场景，仍需要进一步提升忆阻器件的稳定性和可靠性，开发更大规模和更高密度的忆阻器阵列。

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图2 采用连续时间数字孪生框架进行多变量时间序列动态外推实验

参考文献：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adr7571

Continuous-time digital twin with analogue memristive neural ordinary differential equation solver

H. Chen, J. Yang, J. Chen, S. Wang, S. Wang, Y. He, D. Wang, B. Cui, X. Tian, Y. Yu, X. Chen, Y. Lin, X. Wu, Y. Li, X. Zhang, N. Lin, M. Xu, Y. Li, X. Zhang, Z. Wang*, H. Wang*, D. S. Shang*, Q. Liu, K. Cheng, M. Liu,

Science Advances 11, eadr7571(2025)

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推介人

黄森：

中科院微电子所，博导，国际IEEE高级会员，获国家自然基金委优秀青年基金和中科院青促会优秀会员资助，长期致力于III族氮化物电子器件和物理研究。

审稿人

周晔：深圳大学

中国物理学会

第二届应用物理前沿推介委员会

主任：

李永庆(中国科学院物理研究所)

副主任：

柴国志、程智刚、黄森、齐静波、王成、赵清源

半导体物理与器件分会：

召集人：

黄森(中国科学院微电子研究所)

委员：

梁世军、刘楠、尚大山、王鑫华、蔚翠、周晔

低温电子学分会：

召集人：

王成(电子科技大学)

委员：

陈华、高翔、郭潇、李国栋、鲁文高、尤立星

量子传感与探测分会：

召集人：

赵清源(南京大学)

委员：

李贝贝、李明飞、刘刚钦、荣星、申恒

前沿交叉技术分会：

召集人：

程智刚(中国科学院物理研究所)

委员：

戴佳钰、吉亮亮、李家方、陆兴华、罗为、周睿

先进光学与光电子学技术分会:

召集人：

齐静波(电子科技大学)

委员：

常国庆、李勇男、唐鑫、王鹏、魏钟鸣

应用磁学分会：

召集人：

柴国志(兰州大学)

委员：

陈宫、杜关祥、吴义政、杨海涛、于浦