V tomto blogovém příspěvku se budeme zabývat principy a vlastnostmi memristorů – elektronických zařízení, která napodobují lidské synapse – a jejich významem v technologii umělé inteligence.
Když jedete metrem poprvé, klapot kol se zdá neobvykle hlasitý. Jakmile však vlak projíždí jednu stanici za druhou, nastane bod, kdy si tohoto zvuku už sotva všímáme. Je to proto, že naše smysly se při opakování stejného podnětu stávají necitlivými. Naproti tomu smysly stroje se necítí snadno. Vezměme si jako příklad automat na nápoje. Automat přesně detekuje, které tlačítko bylo stisknuto, a poté vydá odpovídající nápoj. I když se tento proces opakuje celý den, automat provede stejnou akci bez váhání další den. U většiny strojů zůstává výkon i při takových opakujících se úkonech konzistentní. Co kdyby tedy stroje měly tu vlastnost, že mají otupené smysly, stejně jako lidé?
Senzorická otupělost úzce souvisí se synapsemi. Synapse jsou spojení mezi neurony – nervovými buňkami, které tvoří lidský mozek – a senzorické informace se přenášejí ve formě elektrochemických signálů, když procházejí neurony a synapsemi. Když je stejný signál přenášen opakovaně, účinnost nervového přenosu na synapsi se dočasně snižuje, což vede k jevu známému jako senzorická otupělost. Je tedy možné tyto vlastnosti synapsí napodobit v počítačích?
Jádro konvenčních počítačů se skládá z nespočtu tranzistorů. Ve skutečnosti byl již dříve prováděn výzkum napodobující lidské synapse pomocí tranzistorů. Je však známo, že lidský mozek obsahuje přes 100 bilionů synapsí a jejich implementace pomocí tranzistorů čelí značným omezením, pokud jde o hustotu integrace a spotřebu energie. S rostoucím rozsahem neuronových sítí založených na tranzistorech dramaticky rostou jejich prostorové nároky a spotřeba energie. Z tohoto důvodu vědci obracejí svou pozornost k novému elektronickému zařízení zvanému memristor, které dokáže implementovat vlastnosti podobnější lidským synapsím.
Termín „memristor“ je spojením slov „paměť“ a „rezistor“; označuje ultramalé elektronické zařízení, které si zachovává vliv minulého toku proudu. Zatímco rezistor obvykle určuje velikost toku proudu, hodnota odporu memristoru se mění v závislosti na celkovém množství proudu, který jím protekl. Zachovává si také svůj poslední stav odporu i po přerušení napájení proudem. Tyto vlastnosti jsou považovány za hlavní výhodu, protože umožňují ukládání informací bez nutnosti samostatného paměťového zařízení. I když konvenční tranzistory mohou také ukládat informace, vyžadují další obvody, což zvětšuje velikost zařízení a zvyšuje spotřebu energie. Naproti tomu memristory mají jednoduchou strukturu, spotřebovávají málo energie a jsou vhodné pro vysokou integraci; v důsledku toho jsou zkoumány jako klíčová technologie v oblasti pamětí nové generace a neuromorfních výpočtů.
Ačkoli koncept memristoru poprvé navrhl profesor Leon O. Chua v roce 1971, v té době se mu nevěnovala velká pozornost, protože technologie tranzistorů se rychle rozvíjela. Poté, co však výzkumníci ze společnosti Hewlett-Packard v roce 2008 úspěšně implementovali skutečný memristor, související výzkum získal významný impuls a nyní je považován za jednu z klíčových technologií v oblasti polovodičů nové generace a hardwaru umělé inteligence.
Memristor je v zásadě strukturován oxidem titaničitým (TiO₂) vloženým mezi platinové elektrody. Oxid titaničitý je rozdělen do dvou oblastí s různými vlastnostmi v závislosti na rozložení kyslíku. Jedna oblast je oxid titaničitý (TiO₂), který je plně nasycen kyslíkem a kyslík se v ní téměř nepohybuje; druhá je oxid titaničitý (TiO₂-x), kde část kyslíku chybí, což umožňuje jeho relativně volný pohyb. Protože proud snadno protéká oblastí, kde je kyslík částečně vyčerpán, a to i při nízkém napětí, celkový elektrický odpor se s rostoucím podílem této oblasti snižuje. Platinové elektrody jsou umístěny nad a pod vrstvou oxidu titaničitého pro přivádění napětí.
Nyní uvažujme případ, kdy je na horní elektrodu přivedeno záporné napětí. Protože se stejné náboje vzájemně odpuzují, kyslíkové ionty v blízkosti rozhraní se pohybují směrem k opačné oblasti. V důsledku toho se část oblasti, která byla dříve nasycena kyslíkem, stává oblastí, kde elektřina snadno proudí, protože kyslík uniká, a oblast, kde proud snadno protéká, se postupně rozpíná. Naopak, pokud je na spodní elektrodu přivedeno záporné napětí, kyslíkové ionty se pohybují zpět ve svém původním směru, což způsobuje zmenšení oblasti s vysokou elektrickou vodivostí, zatímco oblast s dostatečným množstvím kyslíku se opět rozpíná. Tyto změny pokračují, dokud je přivedeno napětí, což demonstruje první charakteristiku memristoru: jeho hodnota odporu se mění v závislosti na velikosti protékajícího proudu.
Proč tedy hodnota odporu zůstává nezměněna i po vypnutí napájení? Tranzistory také mění svůj stav v závislosti na napětí, ale obecně si tento stav nemohou udržet po výpadku napájení. Naproti tomu, protože se v memristoru mění uspořádání atomů v samotném oxidu titanu, konečný stav se zachovává i po výpadku napájení.
V oblastech s částečným nedostatkem kyslíku existují dva typy iontů titanu (Ti³⁺, Ti⁴⁺). Když se kyslíkové ionty pohybují, elektrony se mezi nimi přesouvají, aby se udržela rovnováha náboje, a přitom se některé ionty Ti³⁺ přeměňují na ionty Ti⁴⁺. Protože ionty Ti⁴⁺, které nesou větší kladný náboj, silněji přitahují záporně nabité ionty kyslíku, dochází k tomuto přenosu náboje přirozeně. Nakonec i po odstranění napětí zůstává nové uspořádání atomů nezměněno, takže si odpor také zachovává svůj konečný stav.
Jednoduše řečeno, je to podobné situaci, kdy jedna osoba sedí v metru a sedadlo vedle ní je prázdné. Pokaždé, když se vlak pohne, daná osoba se přesune o jedno sedadlo na prázdné, ale počet prázdných sedadel zůstává stejný. Stejně jako se mění poloha osoby, ale celková struktura sedadel zůstává stejná, v memristoru se mění pouze uspořádání kyslíkových iontů a elektronů, zatímco celková struktura zůstává zachována, což mu umožňuje „pamatovat si“ svůj předchozí stav.
Vědci poznamenávají, že tato vlastnost je velmi podobná charakteristikám lidských synapsí. V synapsích se účinnost nervového přenosu mění s opakováním stejného signálu; podobně se u memristorů mění hodnota odporu, když proud protéká opakovaně. Kvůli těmto podobnostem jsou memristory zkoumány jako klíčové komponenty neuromorfních výpočtů, které napodobují lidský mozek. Vědci dokonce vyvíjejí různé typy hardwaru umělé inteligence kombinací memristorů s obvody CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) pro napodobení chování neuronů a synapsí a související výzkum v současné době probíhá.
Za pár desetiletí by i automaty na nápoje mohly být vybaveny umělou inteligencí, která se podobá lidskému mozku. Představte si, že stojíte před automatem a stisknete tlačítko, jen aby automat rozpoznál váš otisk prstu nebo jiný biometrický údaj a řekl: „Vím, jaký drink jste si dali minulé léto.“ Můžete prostě odpovědět: „Tak mi dejte stejný jako minule.“
