Selles blogipostituses uurime memristoride – inimese sünapse jäljendavate elektrooniliste seadmete – põhimõtteid ja omadusi ning nende tähtsust tehisintellekti tehnoloogias.
Kui esimest korda metroos sõidate, tundub rataste kolin ebatavaliselt vali. Kuid kui rong möödub ühest jaamast teise, saabub hetk, mil me seda heli vaevu märkame. See on tingitud sellest, et meie meeled on muutunud tuimestunuks, kuna sama stiimul kordub. Seevastu masina meeled ei muutu kergesti tuimestunuks. Võtame näiteks joogiautomaadi. Masin tuvastab täpselt, millist nuppu on vajutatud, ja seejärel väljastab vastava joogi. Isegi kui seda protsessi korratakse terve päeva, teeb masin järgmisel päeval sama toimingu kõhklemata. Enamiku masinate puhul jääb jõudlus samaks isegi selliste korduvate ülesannete täitmisel. Mis siis, kui masinatel oleks omadus omadus omada tuimestatud meeli, just nagu inimestel?
Sensoorne tuimus on tihedalt seotud sünapsidega. Sünapsid on ühendused neuronite – inimese aju moodustavate närvirakkude – vahel ning sensoorne teave edastatakse elektrokeemiliste signaalide kujul, kui see läbib neuroneid ja sünapse. Kui sama signaali edastatakse korduvalt, väheneb närviülekande efektiivsus sünapsis ajutiselt, mille tulemuseks on nähtus, mida tuntakse sensoorse tuimusena. Seega, kas on võimalik neid sünapside omadusi arvutites jäljendada?
Tavapäraste arvutite tuum koosneb lugematutest transistoridest. Tegelikult on varemgi läbi viidud uuringuid inimese sünapside jäljendamiseks transistoride abil. Siiski on teada, et inimese ajus on üle 100 triljoni sünapsi ja kõigi nende transistoridega rakendamine seisab silmitsi oluliste piirangutega integreerimistiheduse ja energiatarbimise osas. Transistoripõhiste närvivõrkude ulatuse kasvades suurenevad dramaatiliselt nende ruumivajadus ja energiatarve. Sel põhjusel pööravad teadlased tähelepanu uuele elektroonilisele seadmele nimega memristorile, mis suudab rakendada inimese sünapsidele sarnasemaid omadusi.
Mõiste „memristor” on lühend sõnadest „mälu” ja „takisti”; see viitab üliväikesele elektroonikaseadmele, mis säilitab varasema voolu mõju. Kui takisti määrab tavaliselt voolu suuruse, siis memristori takistuse väärtus muutub sõltuvalt sellest läbi voolanud voolu koguhulgast. See säilitab oma viimase takistuse oleku ka pärast voolu katkestamist. Neid omadusi peetakse suureks eeliseks, kuna need võimaldavad salvestada teavet ilma eraldi mäluseadmeta. Kuigi tavalised transistorid saavad samuti teavet salvestada, vajavad nad täiendavat vooluringi, mis suurendab seadme suurust ja energiatarbimist. Seevastu memristoridel on lihtne struktuur, nad tarbivad vähe energiat ja sobivad hästi kõrge integreerituse saavutamiseks; seetõttu uuritakse neid kui võtmetehnoloogiat järgmise põlvkonna mälu ja neuromorfse andmetöötluse valdkonnas.
Kuigi memristori kontseptsiooni pakkus esmakordselt välja professor Leon O. Chua 1971. aastal, ei pälvinud see tol ajal palju tähelepanu, kuna transistoritehnoloogia arenes kiiresti. Pärast seda, kui Hewlett-Packardi teadlased 2008. aastal edukalt reaalse memristori rakendasid, said sellega seotud uuringud märkimisväärset hoogu ja seda peetakse nüüdseks üheks põhitehnoloogiaks järgmise põlvkonna pooljuhtide ja tehisintellekti riistvara valdkonnas.
Memristor on põhimõtteliselt üles ehitatud plaatinaelektroodide vahel paiknevast titaanoksiidist (TiO₂). Titaandioksiid jaguneb kaheks piirkonnaks, millel on hapniku jaotuse järgi erinevad omadused. Üks piirkond on titaandioksiid (TiO₂), mis on täielikult hapnikuga küllastunud ja kus hapnik peaaegu ei liigu; teine piirkond on titaandioksiid (TiO₂-x), kus puudub osa hapnikust, mis võimaldab hapnikul suhteliselt vabalt liikuda. Kuna vool voolab isegi madala pinge korral kergesti läbi piirkonna, kus hapnik on osaliselt tühjenenud, väheneb üldine elektritakistus selle piirkonna osakaalu suurenedes. Pinge rakendamiseks asetatakse plaatinaelektroodid titaandioksiidi kihi peale ja alla.
Vaatleme nüüd juhtumit, kus ülemisele elektroodile rakendatakse negatiivne pinge. Kuna sarnased laengud tõukuvad üksteist, liiguvad liidese lähedal olevad hapnikuioonid vastassuunas. Selle tulemusel muutub osa piirkonnast, mis oli varem hapnikuga küllastunud, piirkonnaks, kus elekter voolab hapniku väljudes kergesti, ja piirkond, kus vool voolab kergesti, laieneb järk-järgult. Vastupidiselt, kui alumisele elektroodile rakendatakse negatiivne pinge, liiguvad hapnikuioonid tagasi oma algses suunas, põhjustades suure elektrijuhtivusega piirkonna kokkutõmbumise, samas kui piisava hapnikusisaldusega piirkond laieneb uuesti. Need muutused jätkuvad seni, kuni pinget rakendatakse, mis näitab memristori esimest omadust: selle takistuse väärtus muutub sõltuvalt voolava voolu hulgast.
Miks jääb takistuse väärtus muutumatuks isegi pärast toite väljalülitamist? Transistorid muudavad oma olekut samuti pingest sõltuvalt, kuid üldiselt ei suuda nad seda olekut säilitada pärast toite väljalülitamist. Seevastu, kuna memristoris muutub titaanoksiidi enda aatomite paigutus, säilib lõplik olek ka pärast toite väljalülitamist.
Piirkondades, kus hapnik on osaliselt defitsiitne, eksisteerib kahte tüüpi titaanioone (Ti³⁺, Ti⁴⁺). Kui hapnikuioonid liiguvad, liiguvad elektronid titaanioonide vahel, et säilitada laengu tasakaalu, ja selle käigus muunduvad mõned Ti³⁺ ioonid Ti⁴⁺ ioonideks. Kuna Ti⁴⁺ ioonid, millel on suurem positiivne laeng, tõmbavad negatiivselt laetud hapnikuioone tugevamalt ligi, toimub see laenguülekanne loomulikult. Lõppkokkuvõttes jääb aatomite uus paigutus muutumatuks isegi pärast pinge eemaldamist, seega säilitab ka takistus oma lõpliku oleku.
Lihtsamalt öeldes sarnaneb see olukorraga, kus üks inimene istub metroos ja kõrvalolev istekoht on tühi. Iga kord, kui rong liigub, nihutab inimene ühe istme tühjale istmele, kuid tühjade istmete arv jääb üheks. Nii nagu inimese asend muutub, kuid istmete üldine struktuur jääb samaks, muutub memristoris ainult hapnikuioonide ja elektronide paigutus, samas kui üldine struktuur säilib, võimaldades sellel oma eelmist olekut "mäletada".
Teadlased märgivad, et see omadus on väga sarnane inimese sünapside omaga. Sünapsides muutub närviülekande efektiivsus sama signaali kordumisel; sarnaselt muutub memristoride takistuse väärtus voolu korduval läbimisel. Nende sarnasuste tõttu uuritakse memristoreid kui neuromorfse andmetöötluse põhikomponente, mis jäljendavad inimese aju. Tegelikult arendavad teadlased mitmesuguseid tehisintellekti riistvara, kombineerides memristore CMOS-ahelatega (komplementaarsed metalloksiid-pooljuhtahelad), et jäljendada neuronite ja sünapside käitumist, ning sellega seotud uuringud on praegu käimas.
Mõne aastakümne pärast võivad isegi joogiautomaadid olla varustatud tehisintellektiga, mis sarnaneb inimajuga. Kujutage ette, et seisate müügiautomaadi ees ja vajutate nuppu, mille peale masin tuvastab teie sõrmejälje või muu biomeetrilise teabe ja ütleb: „Ma tean, mis jooki te eelmisel suvel jõite.“ Te võite lihtsalt vastata: „Siis andke mulle sama, mis eelmisel korral.“
