В тази публикация в блога ще разгледаме принципите и характеристиките на мемристорите – електронни устройства, които имитират човешки синапси – и тяхното значение в технологиите за изкуствен интелект.
Когато се возите за първи път в метрото, тракащият звук от колелата ви се струва необичайно силен. Въпреки това, докато влакът преминава една станция след друга, идва момент, в който почти не забелязваме този звук. Това е така, защото сетивата ни са се десенсибилизирали, когато един и същ стимул се повтаря. За разлика от това, сетивата на машината не се десенсибилизират лесно. Да вземем за пример автомат за напитки. Машината точно разпознава кой бутон е натиснат и след това доставя съответната напитка. Дори ако този процес се повтаря през целия ден, машината извършва същото действие без колебание на следващия ден. За повечето машини производителността остава постоянна дори при такива повтарящи се задачи. И така, какво ще стане, ако машините притежават характеристиката да имат притъпени сетива, точно както хората?
Сензорната тъпота е тясно свързана със синапсите. Синапсите са връзките между невроните – нервните клетки, които изграждат човешкия мозък – и сензорната информация се предава под формата на електрохимични сигнали, докато преминава през невроните и синапсите. Когато един и същ сигнал се предава многократно, ефективността на невронното предаване в синапса временно намалява, което води до феномен, известен като сензорна тъпота. И така, възможно ли е да се имитират тези характеристики на синапсите в компютрите?
Ядрото на конвенционалните компютри се състои от безброй транзистори. Всъщност, преди това са провеждани изследвания за имитиране на човешки синапси с помощта на транзистори. Известно е обаче, че човешкият мозък съдържа над 100 трилиона синапси и внедряването на всички тях с транзистори е изправено пред значителни ограничения по отношение на плътността на интеграция и консумацията на енергия. С нарастването на мащаба на невронните мрежи, базирани на транзистори, техните пространствени изисквания и консумация на енергия се увеличават драстично. Поради тази причина изследователите насочват вниманието си към ново електронно устройство, наречено мемристор, което може да реализира характеристики, по-близки до тези на човешките синапси.
Терминът „мемристор“ е сбор от „памет“ и „резистор“; той се отнася до ултрамалко електронно устройство, което запазва влиянието на миналия протичащ ток. Докато резисторът обикновено определя големината на протичащия ток, стойността на съпротивлението на мемристора се променя в зависимост от общото количество ток, който е протекъл през него. Той също така запазва последното си състояние на съпротивление дори след прекъсване на токозахранването. Тези характеристики се считат за основно предимство, защото позволяват съхраняването на информация без необходимост от отделно устройство с памет. Докато конвенционалните транзистори също могат да съхраняват информация, те изискват допълнителна схема, което увеличава размера на устройството и повишава консумацията на енергия. За разлика от тях, мемристорите имат проста структура, консумират малко енергия и са подходящи за висока интеграция; в резултат на това те се изследват като ключова технология в областта на паметта от следващо поколение и невроморфните изчисления.
Въпреки че концепцията за мемристор е предложена за първи път от професор Леон О. Чуа през 1971 г., тя не е получила много внимание по това време, тъй като транзисторите са се развивали бързо. След като изследователи от Hewlett-Packard успешно внедряват истински мемристор през 2008 г., свързаните изследвания набират значителен тласък и сега той се счита за една от основните технологии в областта на полупроводниците от следващо поколение и хардуера за изкуствен интелект.
Мемристорът е структуриран основно с титанов оксид (TiO₂), разположен между платинени електроди. Титановият диоксид е разделен на две области с различни свойства в зависимост от разпределението на кислорода. Едната област е титанов диоксид (TiO₂), който е напълно наситен с кислород и където кислородът почти не се движи; другата е титанов диоксид (TiO₂-x), където липсва известно количество кислород, което позволява на кислорода да се движи сравнително свободно. Тъй като токът протича лесно през областта, където кислородът е частично изчерпан, дори при ниски напрежения, общото електрическо съпротивление намалява с увеличаване на дела на тази област. Платинените електроди се поставят над и под слоя титанов диоксид, за да се приложи напрежение.
Сега нека разгледаме случая, в който към горния електрод се прилага отрицателно напрежение. Тъй като еднотипните заряди се отблъскват взаимно, кислородните йони близо до границата на раздела се движат към противоположната област. В резултат на това част от областта, която преди това е била наситена с кислород, се превръща в област, където електричеството протича лесно, когато кислородът излиза, а областта, където токът тече лесно, постепенно се разширява. Обратно, ако към долния електрод се приложи отрицателно напрежение, кислородните йони се връщат в първоначалната си посока, което води до свиване на областта с висока електрическа проводимост, докато областта с достатъчно кислород се разширява отново. Тези промени продължават, докато се прилага напрежението, демонстрирайки първата характеристика на мемристора: стойността на неговото съпротивление се променя в зависимост от количеството протичащ ток.
И така, защо стойността на съпротивлението остава непроменена дори след изключване на захранването? Транзисторите също променят състоянието си в зависимост от напрежението, но обикновено не могат да поддържат това състояние след прекъсване на захранването. За разлика от това, тъй като атомната подредба в самия титанов оксид се променя в мемристора, крайното състояние се запазва дори след прекъсване на захранването.
В области, където кислородът е частично дефицитен, съществуват два вида титаниеви йони (Ti³⁺, Ti⁴⁺). Когато кислородните йони се движат, електроните се изместват между титаниевите йони, за да поддържат баланс на заряда, и в процеса някои Ti³⁺ йони се превръщат в Ti⁴⁺ йони. Тъй като Ti⁴⁺ йоните, които носят по-голям положителен заряд, привличат по-силно отрицателно заредените кислородни йони, този пренос на заряд се случва естествено. В крайна сметка, дори след премахване на напрежението, новото разположение на атомите остава непроменено, така че съпротивлението също запазва крайното си състояние.
Казано по-просто, това е подобно на ситуация, в която един човек седи на седалка в метрото, а съседната седалка е празна. Всеки път, когато влакът се движи, човекът премества една седалка на празната, но броят на празните места остава едно. Точно както позицията на човека се променя, но цялостната структура на седалките остава същата, в мемристор се променя само подредбата на кислородните йони и електроните, докато цялостната структура се запазва, което му позволява да „запомни“ предишното си състояние.
Учените отбелязват, че тази характеристика е много подобна на тази на човешките синапси. В синапсите ефективността на невронното предаване се променя, когато един и същ сигнал се повтаря; подобно на това, в мемристорите, стойността на съпротивлението се променя, когато токът протича многократно. Поради тези прилики, мемристорите се изследват като основни компоненти на невроморфните изчисления, които имитират човешкия мозък. Всъщност, изследователите разработват различни видове хардуер за изкуствен интелект, като комбинират мемристори с CMOS (комплементарни металооксидно-полупроводникови) схеми, за да имитират поведението на невроните и синапсите, и в момента се провеждат свързани изследвания.
След няколко десетилетия дори автоматите за напитки може да бъдат оборудвани с изкуствен интелект, наподобяващ човешкия мозък. Представете си, че стоите пред автомат и натискате бутон, само за да разпознае машината вашия пръстов отпечатък или друга биометрична информация и да каже: „Знам какво питие пихте миналото лято.“ Може просто да отговорите: „Тогава ми дай същото като миналия път.“
