U ovom blog postu istražit ćemo principe i karakteristike memristora - elektroničkih uređaja koji oponašaju ljudske sinapse - i njihov značaj u tehnologiji umjetne inteligencije.
Kada se prvi put vozite podzemnom željeznicom, zvuk kotača čini se neobično glasnim. Međutim, kako vlak prolazi jednu stanicu za drugom, dođe trenutak kada taj zvuk jedva primjećujemo. To je zato što su nam osjetila postala desenzibilizirana dok se isti podražaj ponavlja. Nasuprot tome, osjetila stroja ne postaju lako desenzibilizirana. Uzmimo za primjer automat za prodaju pića. Stroj točno detektira koji je gumb pritisnut, a zatim toči odgovarajuće piće. Čak i ako se ovaj proces ponavlja cijeli dan, stroj sljedeći dan izvodi istu radnju bez oklijevanja. Za većinu strojeva, performanse ostaju dosljedne čak i tijekom takvih ponavljajućih zadataka. Dakle, što ako strojevi posjeduju karakteristiku da im se osjetila otupljuju, baš kao i ljudi?
Senzorna tupost usko je povezana sa sinapsama. Sinapse su veze između neurona - živčanih stanica koje čine ljudski mozak - a senzorne informacije prenose se u obliku elektrokemijskih signala dok prolaze kroz neurone i sinapse. Kada se isti signal prenosi više puta, učinkovitost neuronskog prijenosa na sinapsi privremeno se smanjuje, što rezultira fenomenom poznatim kao senzorna tupost. Dakle, je li moguće oponašati ove karakteristike sinapsi u računalima?
Jezgra konvencionalnih računala sastoji se od bezbroj tranzistora. Zapravo, prethodno su provedena istraživanja kako bi se oponašale ljudske sinapse pomoću tranzistora. Međutim, poznato je da ljudski mozak sadrži preko 100 bilijuna sinapsi, a implementacija svih njih s tranzistorima suočava se sa značajnim ograničenjima u smislu gustoće integracije i potrošnje energije. Kako neuronske mreže temeljene na tranzistorima rastu, njihovi prostorni zahtjevi i potrošnja energije dramatično se povećavaju. Iz tog razloga, istraživači usmjeravaju svoju pozornost na novi elektronički uređaj nazvan memristor, koji može implementirati karakteristike sličnije onima ljudskih sinapsi.
Izraz „memristor“ je kombinacija riječi „memorija“ i „otpornik“; odnosi se na ultra-mali elektronički uređaj koji zadržava utjecaj prošlog protoka struje. Dok otpornik obično određuje veličinu protoka struje, vrijednost otpora memristora mijenja se ovisno o ukupnoj količini struje koja je protekla kroz njega. Također zadržava svoje posljednje stanje otpora čak i nakon prekida napajanja strujom. Ove karakteristike smatraju se glavnom prednošću jer omogućuju pohranjivanje informacija bez potrebe za zasebnim memorijskim uređajem. Iako konvencionalni tranzistori također mogu pohranjivati informacije, oni zahtijevaju dodatne sklopove, što povećava veličinu uređaja i povećava potrošnju energije. Nasuprot tome, memristori imaju jednostavnu strukturu, troše malo energije i dobro su prilagođeni za visoku integraciju; kao rezultat toga, istražuju se kao ključna tehnologija u područjima memorije sljedeće generacije i neuromorfnog računarstva.
Iako je koncept memristora prvi predložio profesor Leon O. Chua 1971. godine, u to vrijeme nije dobio puno pažnje jer je tehnologija tranzistora brzo napredovala. Međutim, nakon što su istraživači u Hewlett-Packardu uspješno implementirali pravi memristor 2008. godine, srodna istraživanja dobila su značajan zamah i sada se smatra jednom od ključnih tehnologija u područjima poluvodiča sljedeće generacije i hardvera umjetne inteligencije.
Memristor je u osnovi strukturiran s titanijevim oksidom (TiO₂) smještenim između platinastih elektroda. Titanijev dioksid podijeljen je u dva područja s različitim svojstvima ovisno o raspodjeli kisika. Jedno područje je titanijev dioksid (TiO₂), koji je potpuno zasićen kisikom i gdje se kisik jedva kreće; drugo je titanijev dioksid (TiO₂-x), gdje nedostaje dio kisika, što omogućuje kisiku relativno slobodno kretanje. Budući da struja lako teče kroz područje gdje je kisik djelomično iscrpljen čak i pri niskim naponima, ukupni električni otpor smanjuje se s povećanjem udjela ovog područja. Platinaste elektrode postavljaju se iznad i ispod sloja titanijevog dioksida kako bi se primijenio napon.
Sada razmotrimo slučaj kada se na gornju elektrodu primjenjuje negativni napon. Budući da se istovrsni naboji odbijaju, ioni kisika u blizini granice pomiču se prema suprotnom području. Kao rezultat toga, dio područja koje je prethodno bilo zasićeno kisikom postaje područje gdje elektricitet lako teče dok kisik izlazi, a područje gdje struja lako teče postupno se širi. Suprotno tome, ako se na donju elektrodu primjenjuje negativni napon, ioni kisika vraćaju se u svoj izvorni smjer, uzrokujući skupljanje područja s visokom električnom vodljivošću, dok se područje s dovoljno kisika ponovno širi. Ove promjene se nastavljaju sve dok se primjenjuje napon, demonstrirajući prvu karakteristiku memristora: vrijednost njegovog otpora mijenja se ovisno o količini tekuće struje.
Zašto onda vrijednost otpora ostaje nepromijenjena čak i nakon što se napajanje isključi? Tranzistori također mijenjaju svoje stanje ovisno o naponu, ali općenito ne mogu održati to stanje nakon što se napajanje prekine. Nasuprot tome, budući da se atomski raspored unutar samog titanijevog oksida mijenja u memristoru, konačno stanje se zadržava čak i nakon što se napajanje prekine.
U područjima gdje je kisik djelomično manjak, postoje dvije vrste titanovih iona (Ti³⁺, Ti⁴⁺). Kada se ioni kisika kreću, elektroni se pomiču između titanovih iona kako bi održali ravnotežu naboja, a pritom se neki Ti³⁺ ioni pretvaraju u Ti⁴⁺ ione. Budući da Ti⁴⁺ ioni, koji nose veći pozitivni naboj, jače privlače negativno nabijene ione kisika, ovaj prijenos naboja događa se prirodno. U konačnici, čak i nakon uklanjanja napona, novi raspored atoma ostaje nepromijenjen, pa otpor također zadržava svoje konačno stanje.
Jednostavno rečeno, slično je situaciji u kojoj jedna osoba sjedi u podzemnoj željeznici, a sjedalo pored nje je prazno. Svaki put kada se vlak pomakne, osoba pomakne jedno sjedalo na prazno sjedalo, ali broj praznih sjedala ostaje jedan. Baš kao što se položaj osobe mijenja, ali ukupna struktura sjedala ostaje ista, u memristoru se mijenja samo raspored kisikovih iona i elektrona, dok se ukupna struktura očuvava, što mu omogućuje da "zapamti" svoje prethodno stanje.
Znanstvenici primjećuju da je ova karakteristika vrlo slična karakteristici ljudskih sinapsi. U sinapsama se učinkovitost neuronskog prijenosa mijenja kako se isti signal ponavlja; slično tome, kod memristora se vrijednost otpora mijenja kada struja više puta teče. Zbog tih sličnosti, memristori se istražuju kao ključne komponente neuromorfnog računarstva, koje oponaša ljudski mozak. Zapravo, istraživači razvijaju različite vrste hardvera umjetne inteligencije kombinirajući memristore s CMOS (komplementarni metal-oksid-poluvodički) sklopovima kako bi oponašali ponašanje neurona i sinapsi, a srodna istraživanja su trenutno u tijeku.
Za nekoliko desetljeća, čak bi i automati za prodaju pića mogli biti opremljeni umjetnom inteligencijom koja nalikuje ljudskom mozgu. Zamislite da stojite ispred automata i pritisnete gumb, samo da bi automat prepoznao vaš otisak prsta ili druge biometrijske podatke i rekao: „Znam koje ste piće pili prošlog ljeta.“ Mogli biste jednostavno odgovoriti: „Onda mi daj isto kao prošli put.“
