En aquesta entrada del blog, explorarem els principis i les característiques dels memristors —dispositius electrònics que imiten les sinapsis humanes— i la seva importància en la tecnologia de la intel·ligència artificial.
Quan viatges amb metro per primera vegada, el soroll de les rodes sembla inusualment fort. Tanmateix, a mesura que el tren passa una estació rere l'altra, arriba un punt en què ja gairebé no notem aquest so. Això és degut a que els nostres sentits s'han dessensibilitzat a mesura que es repeteix el mateix estímul. En canvi, els sentits d'una màquina no es dessensibilitzen fàcilment. Prenguem com a exemple una màquina expenedora de begudes. La màquina detecta amb precisió quin botó s'ha premut i després dispensa la beguda corresponent. Fins i tot si aquest procés es repeteix durant tot el dia, la màquina realitza la mateixa acció sense dubtar-ho l'endemà. Per a la majoria de les màquines, el rendiment es manté constant fins i tot durant aquestes tasques repetitives. Aleshores, què passaria si les màquines tinguessin la característica de tenir els sentits apagats, igual que els humans?
La matisació sensorial està estretament relacionada amb les sinapsis. Les sinapsis són les connexions entre les neurones —les cèl·lules nervioses que formen el cervell humà— i la informació sensorial es transmet en forma de senyals electroquímics a mesura que passa a través de les neurones i les sinapsis. Quan el mateix senyal es transmet repetidament, l'eficiència de la transmissió neuronal a la sinapsi disminueix temporalment, donant lloc a un fenomen conegut com a matisació sensorial. Aleshores, és possible imitar aquestes característiques de les sinapsis en els ordinadors?
El nucli dels ordinadors convencionals està format per innombrables transistors. De fet, anteriorment s'havia dut a terme una investigació per imitar les sinapsis humanes mitjançant transistors. Tanmateix, se sap que el cervell humà conté més de 100 bilions de sinapsis, i la implementació de totes elles amb transistors s'enfronta a limitacions significatives pel que fa a la densitat d'integració i el consum d'energia. A mesura que les xarxes neuronals basades en transistors creixen en escala, els seus requisits d'espai i el consum d'energia augmenten dràsticament. Per aquest motiu, els investigadors estan centrant la seva atenció en un nou dispositiu electrònic anomenat memristor, que pot implementar característiques més similars a les de les sinapsis humanes.
El terme "memristor" és una combinació de "memòria" i "resistor"; es refereix a un dispositiu electrònic ultrapetit que conserva la influència del flux de corrent passat. Mentre que una resistència normalment determina la magnitud del flux de corrent, el valor de la resistència d'un memristor canvia en funció de la quantitat total de corrent que ha circulat a través d'ell. També conserva el seu últim estat de resistència fins i tot després que es talli el subministrament de corrent. Aquestes característiques es consideren un avantatge important perquè permeten emmagatzemar informació sense necessitat d'un dispositiu de memòria separat. Tot i que els transistors convencionals també poden emmagatzemar informació, requereixen circuits addicionals, cosa que augmenta la mida del dispositiu i augmenta el consum d'energia. En canvi, els memristors tenen una estructura senzilla, consumeixen poca energia i són adequats per a una alta integració; com a resultat, s'estan investigant com a tecnologia clau en els camps de la memòria de nova generació i la computació neuromòrfica.
Tot i que el concepte de memristor va ser proposat per primera vegada pel professor Leon O. Chua el 1971, no va rebre gaire atenció en aquell moment perquè la tecnologia dels transistors avançava ràpidament. Tanmateix, després que els investigadors de Hewlett-Packard implementessin amb èxit un memristor real el 2008, la recerca relacionada va guanyar un impuls significatiu i ara es considera una de les tecnologies bàsiques en els camps dels semiconductors de nova generació i el maquinari d'intel·ligència artificial.
Un memristor està fonamentalment estructurat amb òxid de titani (TiO₂) intercalat entre elèctrodes de platí. El diòxid de titani es divideix en dues regions amb propietats diferents segons la distribució de l'oxigen. Una regió és el diòxid de titani (TiO₂), que està completament saturat d'oxigen i on l'oxigen gairebé no es mou; l'altra és el diòxid de titani (TiO₂-x), on falta una mica d'oxigen, cosa que permet que l'oxigen es mogui relativament lliurement. Com que el corrent flueix fàcilment a través de la regió on l'oxigen s'esgota parcialment fins i tot a baixos voltatges, la resistència elèctrica global disminueix a mesura que augmenta la proporció d'aquesta regió. Els elèctrodes de platí es col·loquen per sobre i per sota de la capa de diòxid de titani per aplicar voltatge.
Ara, considerem el cas en què s'aplica un voltatge negatiu a l'elèctrode superior. Com que les càrregues iguals es repel·leixen entre si, els ions d'oxigen propers a la interfície es mouen cap a la regió oposada. Com a resultat, una part de la regió que abans estava saturada d'oxigen es converteix en una regió on l'electricitat flueix fàcilment a mesura que l'oxigen s'escapa, i la regió on el corrent flueix fàcilment s'expandeix gradualment. Per contra, si s'aplica un voltatge negatiu a l'elèctrode inferior, els ions d'oxigen tornen a la seva direcció original, fent que la regió amb alta conductivitat elèctrica es redueixi, mentre que la regió amb prou oxigen es torna a expandir. Aquests canvis continuen mentre s'aplica el voltatge, demostrant la primera característica d'un memristor: el seu valor de resistència canvia en funció de la quantitat de corrent que flueix.
Aleshores, per què el valor de la resistència roman inalterat fins i tot després de tallar l'alimentació? Els transistors també canvien el seu estat en funció del voltatge, però generalment no poden mantenir aquest estat un cop tallada l'alimentació. En canvi, com que la disposició atòmica dins del mateix òxid de titani canvia en un memristor, l'estat final es manté fins i tot després de tallar l'alimentació.
A les regions on l'oxigen és parcialment deficient, existeixen dos tipus d'ions de titani (Ti³⁺, Ti⁴⁺). Quan els ions d'oxigen es mouen, els electrons es desplacen entre els ions de titani per mantenir l'equilibri de càrrega i, en el procés, alguns ions de Ti³⁺ es converteixen en ions de Ti⁴⁺. Com que els ions de Ti⁴⁺, que porten una càrrega positiva més gran, atrauen els ions d'oxigen carregats negativament amb més força, aquesta transferència de càrrega es produeix de manera natural. En última instància, fins i tot després de treure el voltatge, la nova disposició d'àtoms roman sense canvis, de manera que la resistència també manté el seu estat final.
Per dir-ho en termes senzills, és similar a una situació en què una persona està asseguda en un seient de metro i el seient del costat està buit. Cada vegada que el tren es mou, la persona canvia un seient al seient buit, però el nombre de seients buits es manté en un. De la mateixa manera que la posició de la persona canvia però l'estructura general dels seients es manté igual, en un memristor, només canvia la disposició dels ions d'oxigen i els electrons mentre que l'estructura general es conserva, cosa que li permet "recordar" el seu estat anterior.
Els científics observen que aquesta característica és molt similar a la de les sinapsis humanes. En les sinapsis, l'eficiència de la transmissió neuronal canvia a mesura que es repeteix el mateix senyal; de manera similar, en els memristors, el valor de la resistència canvia quan el corrent flueix repetidament. A causa d'aquestes similituds, s'estan investigant els memristors com a components bàsics de la computació neuromòrfica, que imita el cervell humà. De fet, els investigadors estan desenvolupant diversos tipus de maquinari d'intel·ligència artificial combinant memristors amb circuits CMOS (semiconductors d'òxid metàl·lic complementari) per imitar el comportament de les neurones i les sinapsis, i actualment s'està duent a terme una investigació relacionada.
D'aquí a unes dècades, fins i tot les màquines expenedores de begudes podrien estar equipades amb intel·ligència artificial que s'assembli al cervell humà. Imagineu-vos que us trobeu davant d'una màquina expenedora i premeu un botó, només perquè la màquina reconegui la vostra empremta digital o altra informació biomètrica i us digui: "Sé quina beguda vau prendre l'estiu passat". Podríeu respondre simplement: "Doneu-me la mateixa que l'última vegada".
