Šiame tinklaraščio įraše nagrinėsime memristorių – elektroninių prietaisų, imituojančių žmogaus sinapses – principus ir charakteristikas bei jų reikšmę dirbtinio intelekto technologijose.
Pirmą kartą važiuojant metro, ratų barškėjimas atrodo neįprastai garsus. Tačiau traukiniui pravažiuojant vieną stotį po kitos, ateina momentas, kai to garso beveik nebepastebime. Taip yra todėl, kad mūsų pojūčiai tampa nejautrūs, kai tas pats dirgiklis kartojasi. Tuo tarpu aparato pojūčiai lengvai netampa nejautrūs. Paimkime kaip pavyzdį gėrimų automatą. Aparatas tiksliai nustato, kuris mygtukas buvo paspaustas, ir tada išleidžia atitinkamą gėrimą. Net jei šis procesas kartojasi visą dieną, aparatas kitą dieną atlieka tą patį veiksmą nedvejodamas. Daugelio aparatų veikimas išlieka pastovus net ir atliekant tokias pasikartojančias užduotis. Taigi, kas būtų, jei aparatai turėtų savybę atbukinti pojūčius, kaip ir žmonės?
Sensorinis bukumas yra glaudžiai susijęs su sinapsėmis. Sinapsės yra jungtys tarp neuronų – nervinių ląstelių, sudarančių žmogaus smegenis, – o sensorinė informacija perduodama elektrocheminių signalų pavidalu, jai keliaujant per neuronus ir sinapses. Kai tas pats signalas perduodamas pakartotinai, neuroninio perdavimo sinapsėje efektyvumas laikinai sumažėja, todėl atsiranda reiškinys, vadinamas sensoriniu bukumu. Taigi, ar įmanoma šias sinapsių savybes imituoti kompiuteriuose?
Įprastų kompiuterių branduolį sudaro nesuskaičiuojama daugybė tranzistorių. Tiesą sakant, anksčiau buvo atlikti tyrimai, siekiant imituoti žmogaus sinapses naudojant tranzistorius. Tačiau žinoma, kad žmogaus smegenyse yra daugiau nei 100 trilijonų sinapsių, ir visų jų įgyvendinimas tranzistoriais susiduria su dideliais apribojimais, susijusiais su integravimo tankiu ir energijos suvartojimu. Didėjant tranzistorių pagrindu veikiančių neuroninių tinklų mastui, jų erdvės reikalavimai ir energijos suvartojimas smarkiai didėja. Dėl šios priežasties tyrėjai kreipia dėmesį į naują elektroninį įrenginį, vadinamą memristoriumi, kuris gali įgyvendinti panašesnes į žmogaus sinapsių charakteristikas.
Terminas „memristorius“ yra žodžių „atmintis“ ir „rezistorius“ santrauka; jis reiškia itin mažą elektroninį įrenginį, kuris išlaiko praeities srovės įtaką. Nors rezistorius paprastai lemia srovės dydį, memristoriaus varžos vertė kinta priklausomai nuo bendro per jį tekėjusios srovės kiekio. Jis taip pat išlaiko savo paskutinę varžos būseną net ir nutraukus srovės tiekimą. Šios savybės laikomos dideliu privalumu, nes leidžia saugoti informaciją nereikalaujant atskiro atminties įrenginio. Nors įprasti tranzistoriai taip pat gali saugoti informaciją, jiems reikia papildomų grandinių, o tai padidina įrenginio dydį ir energijos suvartojimą. Priešingai, memristoriai yra paprastos struktūros, sunaudoja mažai energijos ir puikiai tinka didelei integracijai; todėl jie yra tiriami kaip pagrindinė technologija naujos kartos atminties ir neuromorfinių skaičiavimų srityse.
Nors memristorių koncepciją pirmą kartą 1971 m. pasiūlė profesorius Leonas O. Chua, tuo metu ji nesulaukė didelio dėmesio, nes tranzistorių technologijos sparčiai vystėsi. Tačiau po to, kai „Hewlett-Packard“ tyrėjai 2008 m. sėkmingai įdiegė tikrą memristorį, susiję tyrimai įgavo didelį pagreitį ir dabar jie laikomi viena iš pagrindinių technologijų naujos kartos puslaidininkių ir dirbtinio intelekto įrangos srityse.
Memristorius iš esmės sudarytas iš titano oksido (TiO₂), įterpto tarp platinos elektrodų. Titano dioksidas yra padalintas į dvi sritis, turinčias skirtingas savybes, priklausomai nuo deguonies pasiskirstymo. Viena sritis yra titano dioksidas (TiO₂), kuris yra visiškai prisotintas deguonimi ir kuriame deguonis beveik nejuda; kita sritis yra titano dioksidas (TiO₂-x), kuriame trūksta šiek tiek deguonies, todėl deguonis gali judėti gana laisvai. Kadangi srovė lengvai teka per sritį, kurioje deguonies iš dalies trūksta, net ir esant žemai įtampai, bendra elektrinė varža mažėja didėjant šios srities daliai. Platinos elektrodai dedami virš ir po titano dioksido sluoksniu, kad būtų tiekiama įtampa.
Dabar panagrinėkime atvejį, kai viršutiniam elektrodui taikoma neigiama įtampa. Kadangi panašūs krūviai vienas kitą stumia, deguonies jonai šalia sąsajos juda link priešingos srities. Dėl to dalis srities, kuri anksčiau buvo prisotinta deguonies, tampa sritimi, kurioje elektra lengvai teka, deguoniui išeinant, o sritis, kurioje lengvai teka srovė, palaipsniui plečiasi. Ir atvirkščiai, jei apatiniam elektrodui taikoma neigiama įtampa, deguonies jonai grįžta į pradinę kryptį, todėl sritis, pasižyminti dideliu elektriniu laidumu, susitraukia, o sritis, kurioje yra pakankamai deguonies, vėl plečiasi. Šie pokyčiai tęsiasi tol, kol taikoma įtampa, ir tai parodo pirmąją memristoriaus savybę: jo varžos vertė kinta priklausomai nuo tekančios srovės stiprumo.
Tad kodėl varžos vertė išlieka nepakitusi net ir išjungus maitinimą? Tranzistoriai taip pat keičia savo būseną priklausomai nuo įtampos, tačiau paprastai jie negali išlaikyti tos būsenos, kai nutraukiamas maitinimas. Priešingai, kadangi memristoriuje pasikeičia paties titano oksido atomų išsidėstymas, galutinė būsena išlieka net ir išjungus maitinimą.
Regionuose, kuriuose iš dalies trūksta deguonies, egzistuoja dviejų tipų titano jonai (Ti³⁺, Ti⁴⁺). Kai deguonies jonai juda, elektronai persikelia tarp titano jonų, kad išlaikytų krūvio pusiausvyrą, ir šio proceso metu kai kurie Ti³⁺ jonai paverčiami Ti⁴⁺ jonais. Kadangi Ti⁴⁺ jonai, turintys didesnį teigiamą krūvį, stipriau pritraukia neigiamai įkrautus deguonies jonus, šis krūvio perdavimas vyksta natūraliai. Galiausiai, net ir pašalinus įtampą, naujas atomų išsidėstymas išlieka nepakitęs, todėl varža taip pat išlaiko savo galutinę būseną.
Paprastai tariant, tai panašu į situaciją, kai vienas žmogus sėdi metro vietoje, o šalia esanti vieta yra tuščia. Kiekvieną kartą traukiniui pajudėjus, žmogus perkelia vieną vietą į tuščią, tačiau tuščių vietų skaičius išlieka vienas. Kaip ir keičiasi žmogaus padėtis, bet bendra vietų struktūra išlieka ta pati, memristoriuje keičiasi tik deguonies jonų ir elektronų išdėstymas, o bendra struktūra išlieka, todėl jis gali „prisiminti“ ankstesnę savo būseną.
Mokslininkai pastebi, kad ši savybė labai panaši į žmogaus sinapsių. Sinapsėse neuroninio perdavimo efektyvumas kinta, kai tas pats signalas kartojamas; panašiai ir memristoriuose varžos vertė kinta, kai srovė teka pakartotinai. Dėl šių panašumų memristoriai yra tiriami kaip pagrindiniai neuromorfinio skaičiavimo, imituojančio žmogaus smegenis, komponentai. Iš tiesų, tyrėjai kuria įvairių tipų dirbtinio intelekto įrangą, derindami memristorius su CMOS (papildomojo metalo oksido puslaidininkio) grandinėmis, kad imituotų neuronų ir sinapsių elgesį, ir šiuo metu vyksta susiję tyrimai.
Po kelių dešimtmečių net gėrimų pardavimo automatai gali būti aprūpinti dirbtiniu intelektu, kuris primena žmogaus smegenis. Įsivaizduokite, kad stovite priešais prekybos automatą ir paspaudžiate mygtuką, o šis atpažins jūsų piršto atspaudą ar kitą biometrinę informaciją ir pasakys: „Žinau, kokį gėrimą gėrėte praėjusią vasarą.“ Galite tiesiog atsakyti: „Tada duokite man tą patį, ką ir praeitą kartą.“
