Šajā emuāra ierakstā mēs izpētīsim memristoru — elektronisku ierīču, kas atdarina cilvēka sinapses — principus un raksturlielumus, kā arī to nozīmi mākslīgā intelekta tehnoloģijā.
Kad pirmo reizi braucat metro, riteņu klaboņa šķiet neparasti skaļa. Tomēr, vilcienam braucot garām vienai stacijai pēc otras, pienāk brīdis, kad mēs šo skaņu vairs tik tikko pamanām. Tas ir tāpēc, ka mūsu maņas ir kļuvušas nejutīgas, atkārtojot vienu un to pašu stimulu. Turpretī automāta maņas nekļūst tik viegli nejutīgas. Ņemsim par piemēru dzērienu tirdzniecības automātu. Automāts precīzi nosaka, kura poga ir nospiesta, un pēc tam izsniedz atbilstošo dzērienu. Pat ja šis process atkārtojas visu dienu, automāts nākamajā dienā bez vilcināšanās veic to pašu darbību. Lielākajai daļai automātu veiktspēja saglabājas nemainīga pat šādu atkārtotu uzdevumu laikā. Tātad, kas notiktu, ja mašīnām piemistu tāda īpašība, ka to maņas ir notrulinātas, tāpat kā cilvēkiem?
Sensorais blāvums ir cieši saistīts ar sinapsēm. Sinapses ir savienojumi starp neironiem — nervu šūnām, kas veido cilvēka smadzenes —, un sensorā informācija tiek pārraidīta elektroķīmisku signālu veidā, tai izejot cauri neironiem un sinapsēm. Kad viens un tas pats signāls tiek pārraidīts atkārtoti, neironu pārraides efektivitāte sinapsē īslaicīgi samazinās, kā rezultātā rodas parādība, kas pazīstama kā sensorais blāvums. Tātad, vai ir iespējams atdarināt šīs sinapses īpašības datoros?
Parasto datoru kodolu veido neskaitāmi tranzistori. Patiesībā jau iepriekš ir veikti pētījumi, lai atdarinātu cilvēka sinapses, izmantojot tranzistorus. Tomēr ir zināms, ka cilvēka smadzenēs ir vairāk nekā 100 triljoni sinapšu, un to visu ieviešana ar tranzistoriem saskaras ar ievērojamiem ierobežojumiem integrācijas blīvuma un enerģijas patēriņa ziņā. Tā kā tranzistoru neironu tīklu apjoms pieaug, to vietas prasības un enerģijas patēriņš dramatiski palielinās. Šī iemesla dēļ pētnieki pievērš uzmanību jaunai elektroniskai ierīcei, ko sauc par memristoru, kas var ieviest raksturlielumus, kas ir līdzīgāki cilvēka sinapsēm.
Termins “memristors” ir saliktenis vārdiem “atmiņa” un “rezistors”; tas attiecas uz īpaši mazu elektronisku ierīci, kas saglabā iepriekšējās strāvas plūsmas ietekmi. Lai gan rezistors parasti nosaka strāvas plūsmas lielumu, memristora pretestības vērtība mainās atkarībā no kopējā caur to plūdušās strāvas daudzuma. Tas saglabā savu pēdējo pretestības stāvokli pat pēc strāvas padeves pārtraukšanas. Šīs īpašības tiek uzskatītas par būtisku priekšrocību, jo tās ļauj saglabāt informāciju bez atsevišķas atmiņas ierīces. Lai gan parastie tranzistori arī var saglabāt informāciju, tiem ir nepieciešama papildu shēma, kas palielina ierīces izmēru un palielina enerģijas patēriņu. Turpretī memristoriem ir vienkārša struktūra, tie patērē maz enerģijas un ir labi piemēroti augstai integrācijai; tāpēc tie tiek pētīti kā galvenā tehnoloģija nākamās paaudzes atmiņas un neiromorfiskās skaitļošanas jomā.
Lai gan memristora koncepciju pirmo reizi ierosināja profesors Leons O. Čua 1971. gadā, tolaik tā neguva lielu uzmanību, jo tranzistoru tehnoloģija strauji attīstījās. Tomēr pēc tam, kad Hewlett-Packard pētnieki 2008. gadā veiksmīgi ieviesa īstu memristoru, saistītie pētījumi ieguva ievērojamu impulsu, un tagad tas tiek uzskatīts par vienu no galvenajām tehnoloģijām nākamās paaudzes pusvadītāju un mākslīgā intelekta aparatūras jomā.
Memristora pamatā ir titāna oksīds (TiO₂), kas atrodas starp platīna elektrodiem. Titāna dioksīds ir sadalīts divos reģionos ar atšķirīgām īpašībām atkarībā no skābekļa sadalījuma. Viens reģions ir titāna dioksīds (TiO₂), kas ir pilnībā piesātināts ar skābekli un kur skābeklis gandrīz nekustas; otrs ir titāna dioksīds (TiO₂-x), kur trūkst neliela skābekļa, ļaujot skābeklim pārvietoties relatīvi brīvi. Tā kā strāva viegli plūst caur reģionu, kur skābeklis ir daļēji nepietiekams pat pie zema sprieguma, kopējā elektriskā pretestība samazinās, palielinoties šī reģiona īpatsvaram. Lai pieliktu spriegumu, platīna elektrodi tiek novietoti virs un zem titāna dioksīda slāņa.
Tagad aplūkosim gadījumu, kad augšējam elektrodam tiek pielikts negatīvs spriegums. Tā kā līdzīgi lādiņi viens otru atgrūž, skābekļa joni saskarnes tuvumā pārvietojas uz pretējo apgabalu. Rezultātā daļa no apgabala, kas iepriekš bija piesātināts ar skābekli, kļūst par apgabalu, kurā elektrība viegli plūst, skābeklim izplūstot, un apgabals, kurā strāva viegli plūst, pakāpeniski izplešas. Un otrādi, ja apakšējam elektrodam tiek pielikts negatīvs spriegums, skābekļa joni atgriežas sākotnējā virzienā, izraisot apgabala ar augstu elektrovadītspēju saraušanos, savukārt apgabals ar pietiekamu skābekļa daudzumu atkal izplešas. Šīs izmaiņas turpinās, kamēr tiek pielikts spriegums, demonstrējot memristora pirmo raksturlielumu: tā pretestības vērtība mainās atkarībā no plūstošās strāvas daudzuma.
Kāpēc pretestības vērtība paliek nemainīga pat pēc strāvas padeves izslēgšanas? Arī tranzistori maina savu stāvokli atkarībā no sprieguma, taču tie parasti nespēj saglabāt šo stāvokli pēc strāvas padeves izslēgšanas. Turpretī memristorā mainās titāna oksīda atomu izvietojums, tāpēc galīgais stāvoklis saglabājas pat pēc strāvas padeves izslēgšanas.
Reģionos, kur skābekļa daļēji trūkst, pastāv divu veidu titāna joni (Ti³⁺, Ti⁴⁺). Kad skābekļa joni pārvietojas, elektroni pārvietojas starp titāna joniem, lai saglabātu lādiņa līdzsvaru, un šajā procesā daži Ti³⁺ joni tiek pārveidoti par Ti⁴⁺ joniem. Tā kā Ti⁴⁺ joni, kuriem ir lielāks pozitīvs lādiņš, spēcīgāk piesaista negatīvi lādētus skābekļa jonus, šī lādiņa pārnešana notiek dabiski. Galu galā pat pēc sprieguma noņemšanas jaunais atomu izkārtojums paliek nemainīgs, tāpēc arī pretestība saglabā savu sākotnējo stāvokli.
Vienkārši sakot, tas ir līdzīgi situācijai, kurā viens cilvēks sēž metro sēdeklī, bet blakus esošais sēdeklis ir tukšs. Katru reizi, kad vilciens sāk kustēties, cilvēks pārvietojas uz vienu sēdekli uz tukšo sēdekli, bet tukšo sēdekļu skaits paliek viens. Tāpat kā mainās cilvēka pozīcija, bet sēdekļu kopējā struktūra paliek nemainīga, memristorā mainās tikai skābekļa jonu un elektronu izvietojums, bet kopējā struktūra tiek saglabāta, ļaujot tam "atcerēties" savu iepriekšējo stāvokli.
Zinātnieki norāda, ka šī īpašība ir ļoti līdzīga cilvēka sinapsēm. Sinapsēs neironu pārraides efektivitāte mainās, atkārtojot vienu un to pašu signālu; līdzīgi memristoros pretestības vērtība mainās, kad strāva plūst atkārtoti. Šo līdzību dēļ memristori tiek pētīti kā neiromorfiskās skaitļošanas galvenās sastāvdaļas, kas atdarina cilvēka smadzenes. Faktiski pētnieki izstrādā dažāda veida mākslīgā intelekta aparatūru, apvienojot memristorus ar CMOS (komplementāro metālu oksīdu pusvadītāju) shēmām, lai atdarinātu neironu un sinapšu uzvedību, un pašlaik notiek saistītie pētījumi.
Pēc dažām desmitgadēm pat dzērienu tirdzniecības automāti varētu būt aprīkoti ar mākslīgo intelektu, kas līdzinās cilvēka smadzenēm. Iedomājieties, ka stāvat tirdzniecības automāta priekšā un nospiežat pogu, tikai lai automāts atpazītu jūsu pirkstu nospiedumu vai citu biometrisko informāciju un teiktu: "Es zinu, kādu dzērienu jūs dzērāt pagājušajā vasarā." Jūs varētu vienkārši atbildēt: "Tad iedodiet man to pašu, ko iepriekšējā reizē."
