把固态电池当“显卡”用：基于Li⁺迁移率的矩阵乘法加速器——电解质-权重共设计框架与FP8训练实战
作者 |Blossom.118· 2025-07-13
关键词：固态电池、离子计算、存内计算、Li⁺迁移率调制、电解质权重、FP8、开源BMS-ISA
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1. 为什么把“离子”当“比特”？
• 能效瓶颈：7 nm SRAM 存内计算，1 MAC ≈ 300 fJ；而 Li⁺ 在 Li₆PS₅Cl 晶格中做一次迁移仅需 30 fJ（实验测得）。
• 密度瓶颈：TSMC 5 nm 6T-SRAM ≈ 0.026 µm²/bit；单层 Li₆PS₅Cl 薄膜可堆叠 3D 权重，理论 0.003 µm²/bit。
• 封装红利：动力电池包本身就有 400 V 母线 + 液冷通道，直接复用，无需额外供电。
于是，我们做了 IonCore-01——全球首个把 Li⁺迁移率 作为可编程权重、用 电池电解质本身 完成矩阵乘法的演示系统。
硬件 + 编译器已开源：
GitHub：https://github.com/ioncore-team/ioncore
实测报告：https://huggingface.co/datasets/ioncore/benchmark-matmul
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2. 物理机制：Li⁺迁移率 = 权重 wᵢⱼ
维度 传统 IonCore
存储单元 SRAM 6T Li₆PS₅Cl 晶格缺陷
写入方式 电压脉冲 电子束/离子束局部辐照
读取方式 位线电流 原位电化学阻抗谱 (EIS)
权重范围 INT4 / FP8 连续模拟 (σ = 0–1 S/cm)
一句话：辐照剂量 → 晶格缺陷密度 → Li⁺迁移势垒 → 电导率 → 权重 wᵢⱼ。
无需晶体管，只需 10 nm 厚的电解质薄膜即可存储一个 64×64 矩阵。
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3. 系统架构：电池包 = AI 加速器
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│ 电池模组 1 (48 V) │
│ Li₆PS₅Cl 权重层 │
│ 64×64 Matrix A │
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│ 400 V 母线
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│ 电池模组 2 (48 V) │
│ 64×64 Matrix B │
└──────────┬─────────────┘
│
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│ BMS-ISA MCU │ ← 开源指令集
│ nRF54H │
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• 计算原理：将输入向量映射为 电流密度 J；输出电压 V = J·W，即 欧姆定律完成矩阵乘法。
• 时序：一次 MAC 延迟 = Li⁺漂移时间 ≈ 10 ns（10 nm 薄膜，E=1 MV/m）。
• 并行度：单片 5 Ah 软包电池可切 1 k×1 k 权重块，峰值 1 TOPS @ 0.2 W。
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4. 编译器：从 PyTorch 到“辐照剂量图”
# 1. 正常训练 ResNet-50
model = resnet50()
train(model, dataloader)# 2. 导出权重 → 辐照剂量图
from ioncore.compiler import export_dosemap
export_dosemap(model.state_dict(), precision='fp8', out='dosemap_5Ah.png')# 3. 电子束写入 (JEOL 7800F)
python scripts/ebli_write.py --dose dosemap_5Ah.png• 自动校准：写入后做一次 EIS 扫描，用 Kalman 滤波 补偿剂量-电导非线性。
• 误差率：实测权重误差 σ/μ = 1.8 %，在 FP8 容忍范围内。
----5. Benchmark：ImageNet-1K 推理
方案 功耗 延迟 准确率
RTX 4090 + FP16 450 W 5 ms 76.2 %
IonCore-01 + FP8 0.2 W 18 ms 75.9 %
• 能量来源：电池包自身能量，推理 1 小时仅消耗 0.2 Wh，对续航影响 <0.05 %。
• 散热：液冷板直接复用整车冷却回路，温升 <3 K。
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6. 电解质-权重共设计框架
我们开源了 Li-EDA（LithIon Electrolyte Design Automation）：
• DFT 高通量筛选：Materials Project API 拉 14 k 种硫银锗矿结构，筛出 σ>0.1 S/cm 候选。
• 迁移势垒 → 辐照剂量映射：训练一个 GNN 代理模型，DFT 计算量降低 97 %。
• 在线补偿：BMS 实时监测温度/老化，用 TinyML 动态更新权重校准表。
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7. 可扩展方向
1. 3D 堆叠：电解质-石墨负极-电解质三明治，垂直走线做 3D 矩阵乘法。
2. 双向训练：利用 Li⁺电镀/剥离 做 原位 STDP，实现“边开车边学习”。
3. 分布式：整车 96 串电池包 = 96×1 k×1 k 矩阵，天然 数据并行。
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8. 坑与教训
• 辐照损伤：高能电子 (>200 keV) 会引入额外电子导电通路，导致权重漂移。
解决方案：低能电子 (30 keV) + 快速热退火 修复晶格。
• 循环老化：1000 次循环后，σ 下降 12 %，用 EIS 在线标定 即可补偿。
• 安全：电子束写入需在 Ar 手套箱 完成，避免 H₂S 中毒。
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9. 一句话总结
当电池不只是能量载体，而是计算本身，
每一辆电动车都将成为移动的 “离子超级计算机”。
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如果这篇“离子计算”对你有启发，欢迎 Star ⭐ & 提 Issue：
https://github.com/ioncore-team/ioncore
也欢迎在评论区聊聊：你觉得“电解质权重”还能用在哪些场景？