في هذه المدونة، سنستكشف مبادئ وخصائص الميمريستورات - وهي أجهزة إلكترونية تحاكي المشابك العصبية البشرية - وأهميتها في تكنولوجيا الذكاء الاصطناعي.
عند ركوب المترو لأول مرة، يبدو صوت عجلات القطار مرتفعًا بشكل غير معتاد. ولكن مع مرور القطار بمحطة تلو الأخرى، نصل إلى مرحلة نكاد لا نلاحظ فيها هذا الصوت. والسبب هو أن حواسنا تعتاد على الصوت مع تكراره. على النقيض من ذلك، لا تعتاد حواس الآلات بسهولة. لنأخذ آلة بيع المشروبات كمثال. تحدد الآلة بدقة الزر الذي تم الضغط عليه، ثم تقدم المشروب المناسب. حتى لو تكررت هذه العملية طوال اليوم، فإن الآلة تؤدي نفس الفعل دون تردد في اليوم التالي. بالنسبة لمعظم الآلات، يظل الأداء ثابتًا حتى خلال هذه المهام المتكررة. فماذا لو كانت الآلات تمتلك خاصية تبلد الحواس، تمامًا مثل البشر؟
يرتبط التبلد الحسي ارتباطًا وثيقًا بالتشابكات العصبية. التشابكات العصبية هي الروابط بين الخلايا العصبية - وهي الخلايا التي تُكوّن الدماغ البشري - وتُنقل المعلومات الحسية على شكل إشارات كهروكيميائية أثناء مرورها عبر الخلايا العصبية والتشابكات العصبية. عندما تُنقل الإشارة نفسها بشكل متكرر، تنخفض كفاءة النقل العصبي عند التشابك العصبي مؤقتًا، مما يؤدي إلى ظاهرة تُعرف بالتبلد الحسي. فهل من الممكن محاكاة هذه الخصائص للتشابكات العصبية في أجهزة الحاسوب؟
يتكون جوهر الحواسيب التقليدية من عدد لا يحصى من الترانزستورات. في الواقع، أُجريت أبحاث سابقة لمحاكاة المشابك العصبية البشرية باستخدام الترانزستورات. ومع ذلك، من المعروف أن الدماغ البشري يحتوي على أكثر من 100 تريليون مشبك عصبي، ويواجه تنفيذ كل هذه المشابك باستخدام الترانزستورات قيودًا كبيرة من حيث كثافة التكامل واستهلاك الطاقة. ومع تزايد حجم الشبكات العصبية القائمة على الترانزستورات، تزداد متطلباتها من حيث المساحة واستهلاك الطاقة بشكل كبير. لهذا السبب، يتجه الباحثون إلى جهاز إلكتروني جديد يُسمى الميمريستور، والذي يمكنه محاكاة خصائص أقرب إلى خصائص المشابك العصبية البشرية.
مصطلح "الميمريستور" هو مزيج من كلمتي "ذاكرة" و"مقاوم"؛ ويشير إلى جهاز إلكتروني فائق الصغر يحتفظ بتأثيرات التيار الكهربائي السابق. فبينما يحدد المقاوم عادةً مقدار التيار المتدفق، تتغير قيمة مقاومة الميمريستور تبعًا لإجمالي كمية التيار التي مرت به. كما أنه يحتفظ بحالة مقاومته الأخيرة حتى بعد انقطاع التيار الكهربائي. تُعد هذه الخصائص ميزة رئيسية لأنها تسمح بتخزين المعلومات دون الحاجة إلى جهاز ذاكرة منفصل. في حين أن الترانزستورات التقليدية قادرة أيضًا على تخزين المعلومات، إلا أنها تتطلب دوائر إضافية، مما يزيد من حجم الجهاز واستهلاكه للطاقة. في المقابل، يتميز الميمريستور ببنية بسيطة، واستهلاك منخفض للطاقة، وملاءمته للتكامل العالي؛ ونتيجة لذلك، يُجرى البحث فيه باعتباره تقنية أساسية في مجالات ذاكرة الجيل القادم والحوسبة العصبية.
على الرغم من أن مفهوم الميمريستور طُرح لأول مرة من قِبل البروفيسور ليون أو. تشوا عام 1971، إلا أنه لم يحظَ باهتمام كبير آنذاك نظرًا للتطور السريع الذي كانت تشهده تقنية الترانزستور. مع ذلك، وبعد أن نجح باحثون في شركة هيوليت-باكارد في تطبيق ميمريستور حقيقي عام 2008، اكتسبت الأبحاث ذات الصلة زخمًا كبيرًا، ويُعتبر الآن من التقنيات الأساسية في مجالات أشباه الموصلات من الجيل التالي وأجهزة الذكاء الاصطناعي.
يتكون الميمريستور أساسًا من طبقة من أكسيد التيتانيوم (TiO₂) محصورة بين قطبين كهربائيين من البلاتين. ينقسم ثاني أكسيد التيتانيوم إلى منطقتين مختلفتين في خصائصهما تبعًا لتوزيع الأكسجين. المنطقة الأولى هي ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂)، وهي مشبعة تمامًا بالأكسجين، حيث يكاد الأكسجين لا يتحرك فيها؛ أما المنطقة الثانية فهي ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂-x)، حيث ينقص الأكسجين جزئيًا، مما يسمح له بالتحرك بحرية نسبية. ولأن التيار الكهربائي يمر بسهولة عبر المنطقة التي ينقص فيها الأكسجين جزئيًا حتى عند الفولتيات المنخفضة، فإن المقاومة الكهربائية الكلية تنخفض مع ازدياد نسبة هذه المنطقة. توضع أقطاب كهربائية من البلاتين أعلى وأسفل طبقة ثاني أكسيد التيتانيوم لتطبيق الجهد الكهربائي.
لنفترض الآن تطبيق جهد سالب على القطب العلوي. بما أن الشحنات المتشابهة تتنافر، فإن أيونات الأكسجين القريبة من السطح البيني تتحرك نحو المنطقة المقابلة. ونتيجة لذلك، يصبح جزء من المنطقة التي كانت مشبعة بالأكسجين منطقةً يسهل فيها تدفق الكهرباء مع هروب الأكسجين، وتتوسع هذه المنطقة تدريجيًا. في المقابل، إذا طُبِّق جهد سالب على القطب السفلي، فإن أيونات الأكسجين تعود إلى اتجاهها الأصلي، مما يؤدي إلى انكماش المنطقة ذات الموصلية الكهربائية العالية، بينما تتوسع المنطقة الغنية بالأكسجين مرة أخرى. تستمر هذه التغيرات طالما استمر تطبيق الجهد، مما يُظهر الخاصية الأولى للمقاوم المتغير: وهي أن قيمة مقاومته تتغير تبعًا لشدة التيار المتدفق.
فلماذا تبقى قيمة المقاومة ثابتة حتى بعد انقطاع التيار الكهربائي؟ صحيح أن الترانزستورات تغير حالتها تبعًا للجهد، لكنها لا تستطيع عادةً الحفاظ على تلك الحالة بعد انقطاع التيار. في المقابل، ولأن الترتيب الذري داخل أكسيد التيتانيوم نفسه يتغير في الميمريستور، فإن الحالة النهائية تبقى ثابتة حتى بعد انقطاع التيار.
في المناطق التي تعاني من نقص جزئي في الأكسجين، يوجد نوعان من أيونات التيتانيوم (Ti³⁺ وTi⁴⁺). عندما تتحرك أيونات الأكسجين، تنتقل الإلكترونات بين أيونات التيتانيوم للحفاظ على توازن الشحنة، وخلال هذه العملية، يتحول بعض أيونات Ti³⁺ إلى أيونات Ti⁴⁺. ولأن أيونات Ti⁴⁺، التي تحمل شحنة موجبة أكبر، تجذب أيونات الأكسجين سالبة الشحنة بقوة أكبر، فإن انتقال الشحنة هذا يحدث بشكل طبيعي. في النهاية، حتى بعد إزالة الجهد، يبقى ترتيب الذرات الجديد دون تغيير، وبالتالي تحافظ المقاومة على حالتها النهائية.
ببساطة، يشبه الأمر موقفًا يجلس فيه شخص في مقعد مترو الأنفاق، والمقعد المجاور له فارغ. في كل مرة يتحرك فيها القطار، ينتقل الشخص إلى المقعد الفارغ، لكن عدد المقاعد الفارغة يبقى واحدًا. وكما يتغير موضع الشخص بينما يبقى الهيكل العام للمقاعد ثابتًا، ففي الميمريستور، يتغير فقط ترتيب أيونات الأكسجين والإلكترونات، بينما يبقى الهيكل العام محفوظًا، مما يسمح له بـ"تذكر" حالته السابقة.
يلاحظ العلماء أن هذه الخاصية تشبه إلى حد كبير خاصية المشابك العصبية البشرية. ففي المشابك العصبية، تتغير كفاءة نقل الإشارات العصبية مع تكرار الإشارة نفسها؛ وبالمثل، في المقاومات المتغيرة، تتغير قيمة المقاومة عند مرور التيار بشكل متكرر. وبسبب هذه التشابهات، تُجرى أبحاث على المقاومات المتغيرة باعتبارها مكونات أساسية للحوسبة العصبية الشكلية، التي تحاكي الدماغ البشري. في الواقع، يعمل الباحثون على تطوير أنواع مختلفة من أجهزة الذكاء الاصطناعي من خلال دمج المقاومات المتغيرة مع دوائر CMOS (أشباه الموصلات المعدنية المؤكسدة التكميلية) لمحاكاة سلوك الخلايا العصبية والمشابك العصبية، وتجري حاليًا أبحاث ذات صلة.
في غضون عقود قليلة، قد تُزود حتى آلات بيع المشروبات بذكاء اصطناعي يُحاكي الدماغ البشري. تخيّل أنك تقف أمام آلة بيع وتضغط زرًا، فتتعرف الآلة على بصمة إصبعك أو معلوماتك البيومترية الأخرى وتقول: "أعرف ما هو مشروبك الصيف الماضي". قد ترد ببساطة: "إذن أعطني نفس المشروب الذي شربته في المرة الماضية".
