Dalam postingan blog ini, kita akan menjelajahi prinsip dan karakteristik memristor—perangkat elektronik yang meniru sinapsis manusia—dan signifikansinya dalam teknologi kecerdasan buatan.
Saat pertama kali naik kereta bawah tanah, suara gemuruh roda terasa sangat keras. Namun, seiring kereta melewati satu stasiun demi stasiun, akan tiba saatnya kita hampir tidak lagi memperhatikan suara itu. Ini karena indra kita telah menjadi kurang peka karena rangsangan yang sama diulang-ulang. Sebaliknya, indra mesin tidak mudah menjadi kurang peka. Mari kita ambil contoh mesin penjual minuman otomatis. Mesin tersebut secara akurat mendeteksi tombol mana yang ditekan dan kemudian mengeluarkan minuman yang sesuai. Bahkan jika proses ini diulang sepanjang hari, mesin tersebut melakukan tindakan yang sama tanpa ragu-ragu keesokan harinya. Bagi sebagian besar mesin, kinerja tetap konsisten bahkan selama tugas berulang seperti itu. Jadi, bagaimana jika mesin memiliki karakteristik indra yang tumpul, seperti manusia?
Ketumpulan sensorik berkaitan erat dengan sinapsis. Sinapsis adalah koneksi antara neuron—sel saraf yang membentuk otak manusia—dan informasi sensorik ditransmisikan dalam bentuk sinyal elektrokimia saat melewati neuron dan sinapsis. Ketika sinyal yang sama ditransmisikan berulang kali, efisiensi transmisi saraf pada sinapsis sementara menurun, menghasilkan fenomena yang dikenal sebagai ketumpulan sensorik. Jadi, apakah mungkin untuk meniru karakteristik sinapsis ini pada komputer?
Inti dari komputer konvensional terdiri dari transistor yang tak terhitung jumlahnya. Bahkan, penelitian sebelumnya telah dilakukan untuk meniru sinapsis manusia menggunakan transistor. Namun, diketahui bahwa otak manusia mengandung lebih dari 100 triliun sinapsis, dan mengimplementasikan semuanya dengan transistor menghadapi keterbatasan yang signifikan dalam hal kepadatan integrasi dan konsumsi daya. Seiring bertambahnya skala jaringan saraf berbasis transistor, kebutuhan ruang dan konsumsi dayanya meningkat secara dramatis. Karena alasan ini, para peneliti mengalihkan perhatian mereka ke perangkat elektronik baru yang disebut memristor, yang dapat mengimplementasikan karakteristik yang lebih mirip dengan sinapsis manusia.
Istilah “memristor” merupakan gabungan dari kata “memori” dan “resistor”; istilah ini merujuk pada perangkat elektronik ultra-kecil yang mempertahankan pengaruh aliran arus sebelumnya. Sementara resistor biasanya menentukan besarnya aliran arus, nilai resistansi memristor berubah tergantung pada jumlah total arus yang telah mengalir melaluinya. Memristor juga mempertahankan keadaan resistansi terakhirnya bahkan setelah suplai arus terputus. Karakteristik ini dianggap sebagai keuntungan utama karena memungkinkan informasi disimpan tanpa memerlukan perangkat memori terpisah. Meskipun transistor konvensional juga dapat menyimpan informasi, transistor tersebut memerlukan rangkaian tambahan, yang meningkatkan ukuran perangkat dan meningkatkan konsumsi daya. Sebaliknya, memristor memiliki struktur sederhana, mengkonsumsi sedikit daya, dan sangat cocok untuk integrasi tinggi; akibatnya, memristor sedang diteliti sebagai teknologi kunci di bidang memori generasi berikutnya dan komputasi neuromorfik.
Meskipun konsep memristor pertama kali diusulkan oleh Profesor Leon O. Chua pada tahun 1971, konsep ini tidak banyak mendapat perhatian pada saat itu karena teknologi transistor berkembang pesat. Namun, setelah para peneliti di Hewlett-Packard berhasil mengimplementasikan memristor nyata pada tahun 2008, penelitian terkait mendapatkan momentum yang signifikan, dan sekarang dianggap sebagai salah satu teknologi inti di bidang semikonduktor generasi berikutnya dan perangkat keras kecerdasan buatan.
Memristor pada dasarnya terstruktur dengan titanium oksida (TiO₂) yang diapit di antara elektroda platinum. Titanium dioksida terbagi menjadi dua wilayah dengan sifat berbeda tergantung pada distribusi oksigen. Satu wilayah adalah titanium dioksida (TiO₂), yang sepenuhnya jenuh dengan oksigen dan di mana oksigen hampir tidak bergerak; wilayah lainnya adalah titanium dioksida (TiO₂-x), di mana sebagian oksigen hilang, memungkinkan oksigen untuk bergerak relatif bebas. Karena arus mengalir dengan mudah melalui wilayah di mana oksigen sebagian berkurang bahkan pada tegangan rendah, resistansi listrik keseluruhan menurun seiring dengan peningkatan proporsi wilayah ini. Elektroda platinum ditempatkan di atas dan di bawah lapisan titanium dioksida untuk menerapkan tegangan.
Sekarang, mari kita pertimbangkan kasus di mana tegangan negatif diterapkan pada elektroda atas. Karena muatan sejenis saling tolak, ion oksigen di dekat antarmuka bergerak menuju wilayah yang berlawanan. Akibatnya, sebagian wilayah yang sebelumnya jenuh dengan oksigen menjadi wilayah di mana listrik mengalir dengan mudah karena oksigen keluar, dan wilayah di mana arus mengalir dengan mudah secara bertahap meluas. Sebaliknya, jika tegangan negatif diterapkan pada elektroda bawah, ion oksigen bergerak kembali ke arah asalnya, menyebabkan wilayah dengan konduktivitas listrik tinggi menyusut, sementara wilayah dengan oksigen yang cukup meluas kembali. Perubahan ini berlanjut selama tegangan diterapkan, menunjukkan karakteristik pertama dari memristor: nilai resistansinya berubah tergantung pada jumlah arus yang mengalir.
Jadi mengapa nilai resistansi tetap tidak berubah bahkan setelah daya dimatikan? Transistor juga mengubah keadaannya tergantung pada tegangan, tetapi umumnya tidak dapat mempertahankan keadaan tersebut setelah daya dimatikan. Sebaliknya, karena susunan atom di dalam titanium oksida itu sendiri berubah dalam memristor, keadaan akhir dipertahankan bahkan setelah daya dimatikan.
Di daerah yang kekurangan oksigen sebagian, terdapat dua jenis ion titanium (Ti³⁺, Ti⁴⁺). Ketika ion oksigen bergerak, elektron berpindah antar ion titanium untuk menjaga keseimbangan muatan, dan dalam prosesnya, beberapa ion Ti³⁺ diubah menjadi ion Ti⁴⁺. Karena ion Ti⁴⁺, yang membawa muatan positif lebih besar, menarik ion oksigen bermuatan negatif lebih kuat, transfer muatan ini terjadi secara alami. Pada akhirnya, bahkan setelah tegangan dihilangkan, susunan atom yang baru tetap tidak berubah, sehingga resistansi juga mempertahankan keadaan akhirnya.
Sederhananya, ini mirip dengan situasi di mana seseorang duduk di kursi kereta bawah tanah dan kursi di sebelahnya kosong. Setiap kali kereta bergerak, orang tersebut bergeser satu kursi ke kursi kosong, tetapi jumlah kursi kosong tetap satu. Sama seperti posisi orang tersebut berubah tetapi struktur keseluruhan kursi tetap sama, dalam memristor, hanya susunan ion oksigen dan elektron yang berubah sementara struktur keseluruhannya tetap terjaga, sehingga memungkinkan untuk "mengingat" keadaan sebelumnya.
Para ilmuwan mencatat bahwa karakteristik ini sangat mirip dengan sinapsis manusia. Pada sinapsis, efisiensi transmisi saraf berubah ketika sinyal yang sama diulang; demikian pula, pada memristor, nilai resistansi berubah ketika arus mengalir berulang kali. Karena kesamaan ini, memristor sedang diteliti sebagai komponen inti komputasi neuromorfik, yang meniru otak manusia. Bahkan, para peneliti sedang mengembangkan berbagai jenis perangkat keras kecerdasan buatan dengan menggabungkan memristor dengan sirkuit CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) untuk meniru perilaku neuron dan sinapsis, dan penelitian terkait saat ini sedang berlangsung.
Dalam beberapa dekade mendatang, bahkan mesin penjual minuman otomatis mungkin akan dilengkapi dengan kecerdasan buatan yang menyerupai otak manusia. Bayangkan Anda berdiri di depan mesin penjual otomatis dan menekan sebuah tombol, lalu mesin tersebut mengenali sidik jari Anda atau informasi biometrik lainnya dan berkata, “Saya tahu minuman apa yang Anda minum musim panas lalu.” Anda mungkin hanya akan menjawab, “Kalau begitu, berikan saya minuman yang sama seperti sebelumnya.”
