Tässä blogikirjoituksessa tutkimme memristorien – ihmisen synapseja matkivien elektronisten laitteiden – periaatteita ja ominaisuuksia sekä niiden merkitystä tekoälyteknologiassa.
Kun metrossa matkustellaan ensimmäistä kertaa, pyörien kolina kuulostaa epätavallisen kovalta. Junan ohittaessa aseman toisensa jälkeen, tulee kuitenkin hetki, jolloin emme enää juurikaan huomaa ääntä. Tämä johtuu siitä, että aistimme ovat turtuneet saman ärsykkeen toistuessa. Sitä vastoin koneen aistit eivät turru helposti. Otetaan esimerkiksi juoma-automaatti. Automaatti tunnistaa tarkasti, mitä nappia on painettu, ja annostelee sitten vastaavan juoman. Vaikka tämä prosessi toistuisi koko päivän, kone suorittaa saman toiminnon epäröimättä seuraavana päivänä. Useimpien koneiden suorituskyky pysyy tasaisena jopa tällaisten toistuvien tehtävien aikana. Entä jos koneilla olisikin ominaisuus, että niiden aistit ovat turtuneet, aivan kuten ihmisillä?
Aistiärsykkeiden tylsyys liittyy läheisesti synapsiin. Synapsit ovat yhteyksiä neuronien – ihmisaivojen muodostavien hermosolujen – välillä, ja aistitieto välittyy sähkökemiallisten signaalien muodossa kulkiessaan neuronien ja synapsien läpi. Kun sama signaali lähetetään toistuvasti, hermosignaalin siirron tehokkuus synapsissa laskee tilapäisesti, mikä johtaa ilmiöön, joka tunnetaan aistiärsykkeenä. Onko siis mahdollista jäljitellä näitä synapsien ominaisuuksia tietokoneissa?
Perinteisten tietokoneiden ydin koostuu lukemattomista transistoreista. Itse asiassa aiemmin on tehty tutkimusta ihmisen synapsien matkimiseksi transistoreilla. Tiedetään kuitenkin, että ihmisaivoissa on yli 100 biljoonaa synapsia, ja niiden kaikkien toteuttaminen transistoreilla kohtaa merkittäviä rajoituksia integrointitiheyden ja virrankulutuksen suhteen. Transistoripohjaisten neuroverkkojen mittakaavan kasvaessa niiden tilavaatimukset ja virrankulutus kasvavat dramaattisesti. Tästä syystä tutkijat kiinnittävät huomionsa uuteen elektroniseen laitteeseen, jota kutsutaan memristoriksi ja joka voi toteuttaa ominaisuuksia, jotka ovat samankaltaisia kuin ihmisen synapseissa.
Termi ”memristori” on yhdistelmä sanoista ”muisti” ja ”vastus”; se viittaa erittäin pieneen elektroniseen laitteeseen, joka säilyttää aiemman virran vaikutuksen. Vaikka vastus tyypillisesti määrittää virran suuruuden, memristorin resistanssiarvo muuttuu sen läpi kulkeneen virran kokonaismäärän mukaan. Se säilyttää myös viimeisen resistanssitilansa, vaikka virransyöttö katkaistaan. Näitä ominaisuuksia pidetään merkittävänä etuna, koska ne mahdollistavat tiedon tallentamisen ilman erillistä muistilaitetta. Vaikka perinteiset transistorit voivat myös tallentaa tietoa, ne vaativat lisäpiirejä, mikä lisää laitteen kokoa ja lisää virrankulutusta. Sitä vastoin memristoreilla on yksinkertainen rakenne, ne kuluttavat vähän virtaa ja sopivat hyvin korkeaan integrointitasoon; siksi niitä tutkitaan avainteknologiana seuraavan sukupolven muistin ja neuromorfisen laskennan aloilla.
Vaikka memristorin käsitteen ehdotti ensimmäisenä professori Leon O. Chua vuonna 1971, se ei tuolloin saanut paljon huomiota, koska transistoriteknologia kehittyi nopeasti. Kuitenkin sen jälkeen, kun Hewlett-Packardin tutkijat toteuttivat onnistuneesti todellisen memristorin vuonna 2008, siihen liittyvä tutkimus sai merkittävää vauhtia, ja sitä pidetään nyt yhtenä seuraavan sukupolven puolijohteiden ja tekoälylaitteistojen ydinteknologioista.
Memristorin perustana on titaanidioksidi (TiO₂), joka on sijoitettu platinaelektrodien väliin. Titaanidioksidi on jaettu kahteen alueeseen, joilla on erilaiset ominaisuudet hapen jakautumisen mukaan. Toinen alue on titaanidioksidi (TiO₂), joka on täysin hapella kyllästetty ja jossa happi tuskin liikkuu; toinen alue on titaanidioksidi (TiO₂-x), josta puuttuu jonkin verran happea, jolloin happi voi liikkua suhteellisen vapaasti. Koska virta kulkee helposti alueen läpi, jossa happi on osittain köyhtynyt, jopa matalilla jännitteillä, sähköinen kokonaisvastus pienenee tämän alueen osuuden kasvaessa. Platinaelektrodit asetetaan titaanidioksidikerroksen ylä- ja alapuolelle jännitteen syöttämiseksi.
Tarkastellaan nyt tapausta, jossa ylempään elektrodiin kohdistetaan negatiivinen jännite. Koska samanlaiset varaukset hylkivät toisiaan, rajapinnan lähellä olevat happi-ionit liikkuvat vastakkaiseen suuntaan. Tämän seurauksena osa alueesta, joka oli aiemmin hapella kyllästetty, muuttuu alueeksi, jossa sähkö virtaa helposti hapen poistuessa, ja alue, jossa virta virtaa helposti, laajenee vähitellen. Kääntäen, jos alempaan elektrodiin kohdistetaan negatiivinen jännite, happi-ionit liikkuvat takaisin alkuperäiseen suuntaansa, jolloin korkean sähkönjohtavuuden omaava alue kutistuu, kun taas riittävästi happea sisältävä alue laajenee jälleen. Nämä muutokset jatkuvat niin kauan kuin jännitettä käytetään, mikä osoittaa memristorin ensimmäisen ominaisuuden: sen resistanssiarvo muuttuu virtaavan virran määrän mukaan.
Miksi resistanssin arvo pysyy muuttumattomana myös virran katkaisemisen jälkeen? Transistoritkin muuttavat tilaansa jännitteestä riippuen, mutta ne eivät yleensä pysty säilyttämään tätä tilaa virran katkaisemisen jälkeen. Sitä vastoin memristorissa titaanioksidin atomien järjestys muuttuu, joten lopullinen tila säilyy virran katkaisemisen jälkeenkin.
Alueilla, joilla on osittainen hapenpuute, esiintyy kahdenlaisia titaani-ioneja (Ti³⁺, Ti⁴⁺). Kun happi-ionit liikkuvat, elektronit siirtyvät titaani-ionien välillä varaustasapainon ylläpitämiseksi, ja prosessissa jotkut Ti³⁺-ionit muuttuvat Ti⁴⁺-ioneiksi. Koska Ti⁴⁺-ionit, joilla on suurempi positiivinen varaus, vetävät puoleensa negatiivisesti varautuneita happi-ioneja voimakkaammin, tämä varauksensiirto tapahtuu luonnollisesti. Lopulta, jopa jännitteen poistamisen jälkeen, atomien uusi järjestely pysyy muuttumattomana, joten myös resistanssi säilyttää lopullisen tilansa.
Yksinkertaisesti sanottuna tilanne on samanlainen kuin metrossa istuva henkilö, jonka vieressä oleva istuin on tyhjä. Joka kerta, kun juna liikkuu, henkilö siirtää yhden istuimen tyhjälle paikalle, mutta tyhjien istuinten määrä pysyy yhdessä. Aivan kuten henkilön paikka muuttuu, mutta istuinten kokonaisrakenne pysyy samana, memristorissa vain happi-ionien ja elektronien järjestys muuttuu, kun taas kokonaisrakenne säilyy, jolloin se "muistaa" edellisen tilansa.
Tutkijat ovat huomanneet, että tämä ominaisuus on hyvin samankaltainen kuin ihmisen synapseissa. Synapseissa hermosignaalin siirron tehokkuus muuttuu saman signaalin toistuessa; vastaavasti memristoreissa resistanssin arvo muuttuu, kun virta kulkee toistuvasti. Näiden yhtäläisyyksien vuoksi memristoreita tutkitaan neuromorfisen laskennan ydinkomponentteina, joka jäljittelee ihmisaivoja. Itse asiassa tutkijat kehittävät erityyppisiä tekoälylaitteita yhdistämällä memristoreita CMOS-piireihin (Complementary Metal Oxide Semiconductor) hermosolujen ja synapsien käyttäytymisen jäljittelemiseksi, ja asiaan liittyvä tutkimus on parhaillaan käynnissä.
Muutaman vuosikymmenen kuluttua jopa juoma-automaatit saatetaan varustaa tekoälyllä, joka muistuttaa ihmisaivoja. Kuvittele, että seisot myyntiautomaatin edessä ja painat nappia, jolloin automaatti tunnistaa sormenjälkesi tai muita biometrisiä tietojasi ja sanoo: "Tiedän, mitä juomaa joit viime kesänä." Saatat vain vastata: "Anna sitten minulle sama kuin viimeksi."
