ഈ ബ്ലോഗ് പോസ്റ്റിൽ, മെമ്മറിസ്റ്ററുകളുടെ തത്വങ്ങളും സവിശേഷതകളും - മനുഷ്യ സിനാപ്സുകളെ അനുകരിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണങ്ങൾ - കൃത്രിമബുദ്ധി സാങ്കേതികവിദ്യയിൽ അവയുടെ പ്രാധാന്യവും നമ്മൾ പര്യവേക്ഷണം ചെയ്യും.
ആദ്യമായി സബ്വേയിൽ സഞ്ചരിക്കുമ്പോൾ, ചക്രങ്ങളുടെ ഘോരശബ്ദം അസാധാരണമാംവിധം ഉച്ചത്തിൽ കേൾക്കാം. എന്നിരുന്നാലും, ട്രെയിൻ ഓരോ സ്റ്റേഷനും പിന്നിലേക്ക് കടന്നുപോകുമ്പോൾ, ആ ശബ്ദം നമ്മൾ അധികം ശ്രദ്ധിക്കാത്ത ഒരു ഘട്ടം വരുന്നു. ഒരേ ഉത്തേജനം ആവർത്തിക്കുമ്പോൾ നമ്മുടെ ഇന്ദ്രിയങ്ങൾ സംവേദനക്ഷമത കുറഞ്ഞുവരുന്നു എന്നതാണ് ഇതിന് കാരണം. ഇതിനു വിപരീതമായി, ഒരു യന്ത്രത്തിന്റെ ഇന്ദ്രിയങ്ങൾ എളുപ്പത്തിൽ സംവേദനക്ഷമത കുറഞ്ഞുപോകില്ല. ഒരു പാനീയ വെൻഡിംഗ് മെഷീൻ ഉദാഹരണമായി എടുക്കാം. ഏത് ബട്ടൺ അമർത്തിയെന്ന് യന്ത്രം കൃത്യമായി കണ്ടെത്തി അനുബന്ധ പാനീയം വിതരണം ചെയ്യുന്നു. ഈ പ്രക്രിയ ദിവസം മുഴുവൻ ആവർത്തിച്ചാലും, അടുത്ത ദിവസം മടികൂടാതെ യന്ത്രം അതേ പ്രവർത്തനം ചെയ്യുന്നു. മിക്ക യന്ത്രങ്ങൾക്കും, അത്തരം ആവർത്തിച്ചുള്ള ജോലികൾക്കിടയിലും പ്രകടനം സ്ഥിരത പുലർത്തുന്നു. അപ്പോൾ, മനുഷ്യരെപ്പോലെ യന്ത്രങ്ങൾക്കും അവയുടെ ഇന്ദ്രിയങ്ങൾ മങ്ങുന്ന സ്വഭാവം ഉണ്ടെങ്കിലോ?
സെൻസറി മന്ദത സിനാപ്സുകളുമായി അടുത്ത ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്നു. മനുഷ്യ മസ്തിഷ്കത്തെ സൃഷ്ടിക്കുന്ന നാഡീകോശങ്ങളായ ന്യൂറോണുകൾ തമ്മിലുള്ള ബന്ധങ്ങളാണ് സിനാപ്സുകൾ, ന്യൂറോണുകളിലൂടെയും സിനാപ്സുകളിലൂടെയും കടന്നുപോകുമ്പോൾ ഇലക്ട്രോകെമിക്കൽ സിഗ്നലുകളുടെ രൂപത്തിലാണ് സെൻസറി വിവരങ്ങൾ കൈമാറ്റം ചെയ്യപ്പെടുന്നത്. ഒരേ സിഗ്നൽ ആവർത്തിച്ച് കൈമാറുമ്പോൾ, സിനാപ്സിലെ ന്യൂറൽ ട്രാൻസ്മിഷന്റെ കാര്യക്ഷമത താൽക്കാലികമായി കുറയുന്നു, ഇത് സെൻസറി മന്ദത എന്നറിയപ്പെടുന്ന ഒരു പ്രതിഭാസത്തിന് കാരണമാകുന്നു. അപ്പോൾ, കമ്പ്യൂട്ടറുകളിൽ സിനാപ്സുകളുടെ ഈ സവിശേഷതകൾ അനുകരിക്കാൻ കഴിയുമോ?
പരമ്പരാഗത കമ്പ്യൂട്ടറുകളുടെ കാതൽ എണ്ണമറ്റ ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളാണ്. വാസ്തവത്തിൽ, ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ ഉപയോഗിച്ച് മനുഷ്യ സിനാപ്സുകളെ അനുകരിക്കുന്നതിനുള്ള ഗവേഷണം മുമ്പ് നടത്തിയിരുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, മനുഷ്യ മസ്തിഷ്കത്തിൽ 100 ട്രില്യൺ സിനാപ്സുകൾ അടങ്ങിയിട്ടുണ്ടെന്ന് അറിയാം, കൂടാതെ അവയെല്ലാം ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾ ഉപയോഗിച്ച് നടപ്പിലാക്കുന്നത് സംയോജന സാന്ദ്രതയുടെയും വൈദ്യുതി ഉപഭോഗത്തിന്റെയും കാര്യത്തിൽ കാര്യമായ പരിമിതികൾ നേരിടുന്നു. ട്രാൻസിസ്റ്റർ അധിഷ്ഠിത ന്യൂറൽ നെറ്റ്വർക്കുകൾ അളവിൽ വളരുന്നതിനനുസരിച്ച്, അവയുടെ സ്ഥല ആവശ്യകതകളും വൈദ്യുതി ഉപഭോഗവും ഗണ്യമായി വർദ്ധിക്കുന്നു. ഇക്കാരണത്താൽ, മനുഷ്യ സിനാപ്സുകളുടേതിന് സമാനമായ സവിശേഷതകൾ നടപ്പിലാക്കാൻ കഴിയുന്ന മെമ്മറിസ്റ്റർ എന്ന പുതിയ ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണത്തിലേക്ക് ഗവേഷകർ ശ്രദ്ധ തിരിക്കുന്നു.
"മെമ്മറി", "റെസിസ്റ്റർ" എന്നീ പദങ്ങളുടെ ഒരു സംയുക്ത രൂപമാണ് "മെമ്മറിസ്റ്റർ"; പഴയ വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ സ്വാധീനം നിലനിർത്തുന്ന ഒരു അൾട്രാ-സ്മോൾ ഇലക്ട്രോണിക് ഉപകരണത്തെയാണ് ഇത് സൂചിപ്പിക്കുന്നത്. ഒരു റെസിസ്റ്റർ സാധാരണയായി വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ വ്യാപ്തി നിർണ്ണയിക്കുമ്പോൾ, ഒരു മെമ്മറിസ്റ്ററിന്റെ പ്രതിരോധ മൂല്യം അതിലൂടെ ഒഴുകിയ മൊത്തം വൈദ്യുതധാരയെ ആശ്രയിച്ച് മാറുന്നു. വൈദ്യുത വിതരണം വിച്ഛേദിക്കപ്പെട്ടതിനുശേഷവും ഇത് അതിന്റെ അവസാന പ്രതിരോധ നില നിലനിർത്തുന്നു. പ്രത്യേക മെമ്മറി ഉപകരണത്തിന്റെ ആവശ്യമില്ലാതെ വിവരങ്ങൾ സംഭരിക്കാൻ അനുവദിക്കുന്നതിനാൽ ഈ സവിശേഷതകൾ ഒരു പ്രധാന നേട്ടമായി കണക്കാക്കപ്പെടുന്നു. പരമ്പരാഗത ട്രാൻസിസ്റ്ററുകൾക്കും വിവരങ്ങൾ സംഭരിക്കാൻ കഴിയുമെങ്കിലും, അവയ്ക്ക് അധിക സർക്യൂട്ടറി ആവശ്യമാണ്, ഇത് ഉപകരണത്തിന്റെ വലുപ്പം വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും വൈദ്യുതി ഉപഭോഗം വർദ്ധിപ്പിക്കുകയും ചെയ്യുന്നു. ഇതിനു വിപരീതമായി, മെമ്മറിസ്റ്ററുകൾക്ക് ലളിതമായ ഒരു ഘടനയുണ്ട്, കുറച്ച് വൈദ്യുതി ഉപയോഗിക്കുന്നു, ഉയർന്ന സംയോജനത്തിന് അനുയോജ്യമാണ്; തൽഫലമായി, അടുത്ത തലമുറ മെമ്മറി, ന്യൂറോമോർഫിക് കമ്പ്യൂട്ടിംഗ് എന്നീ മേഖലകളിലെ ഒരു പ്രധാന സാങ്കേതികവിദ്യയായി അവ ഗവേഷണം ചെയ്യപ്പെടുന്നു.
1971-ൽ പ്രൊഫസർ ലിയോൺ ഒ. ചുവയാണ് മെമ്മറിസ്റ്റർ എന്ന ആശയം ആദ്യമായി മുന്നോട്ടുവച്ചതെങ്കിലും, ട്രാൻസിസ്റ്റർ സാങ്കേതികവിദ്യ അതിവേഗം പുരോഗമിച്ചുകൊണ്ടിരുന്നതിനാൽ അക്കാലത്ത് അതിന് വലിയ ശ്രദ്ധ ലഭിച്ചില്ല. എന്നിരുന്നാലും, 2008-ൽ ഹ്യൂലറ്റ്-പാക്കാർഡിലെ ഗവേഷകർ ഒരു യഥാർത്ഥ മെമ്മറിസ്റ്റർ വിജയകരമായി നടപ്പിലാക്കിയതിനുശേഷം, അനുബന്ധ ഗവേഷണങ്ങൾക്ക് ഗണ്യമായ ആക്കം ലഭിച്ചു, ഇപ്പോൾ ഇത് അടുത്ത തലമുറ സെമികണ്ടക്ടറുകളുടെയും കൃത്രിമബുദ്ധി ഹാർഡ്വെയറിന്റെയും മേഖലകളിലെ പ്രധാന സാങ്കേതികവിദ്യകളിൽ ഒന്നായി കണക്കാക്കപ്പെടുന്നു.
പ്ലാറ്റിനം ഇലക്ട്രോഡുകൾക്കിടയിൽ ടൈറ്റാനിയം ഓക്സൈഡ് (TiO₂) ഘടിപ്പിച്ചാണ് ഒരു മെംറിസ്റ്റർ അടിസ്ഥാനപരമായി നിർമ്മിച്ചിരിക്കുന്നത്. ഓക്സിജന്റെ വിതരണത്തെ ആശ്രയിച്ച് വ്യത്യസ്ത ഗുണങ്ങളുള്ള രണ്ട് മേഖലകളായി ടൈറ്റാനിയം ഡൈ ഓക്സൈഡ് വിഭജിക്കപ്പെട്ടിട്ടുണ്ട്. ഒരു മേഖല ടൈറ്റാനിയം ഡൈ ഓക്സൈഡ് (TiO₂) ആണ്, ഇത് ഓക്സിജനുമായി പൂർണ്ണമായും പൂരിതമാണ്, കൂടാതെ ഓക്സിജൻ വളരെ കുറച്ച് മാത്രമേ നീങ്ങുന്നുള്ളൂ; മറ്റൊന്ന് ടൈറ്റാനിയം ഡൈ ഓക്സൈഡ് (TiO₂-x) ആണ്, അവിടെ കുറച്ച് ഓക്സിജൻ ഇല്ല, ഇത് ഓക്സിജനെ താരതമ്യേന സ്വതന്ത്രമായി സഞ്ചരിക്കാൻ അനുവദിക്കുന്നു. കുറഞ്ഞ വോൾട്ടേജുകളിൽ പോലും ഓക്സിജൻ ഭാഗികമായി കുറയുന്ന മേഖലയിലൂടെ വൈദ്യുതധാര എളുപ്പത്തിൽ ഒഴുകുന്നതിനാൽ, ഈ മേഖലയുടെ അനുപാതം വർദ്ധിക്കുന്നതിനനുസരിച്ച് മൊത്തത്തിലുള്ള വൈദ്യുത പ്രതിരോധം കുറയുന്നു. വോൾട്ടേജ് പ്രയോഗിക്കുന്നതിന് പ്ലാറ്റിനം ഇലക്ട്രോഡുകൾ ടൈറ്റാനിയം ഡൈ ഓക്സൈഡ് പാളിക്ക് മുകളിലും താഴെയുമായി സ്ഥാപിച്ചിരിക്കുന്നു.
ഇനി, മുകളിലെ ഇലക്ട്രോഡിൽ നെഗറ്റീവ് വോൾട്ടേജ് പ്രയോഗിക്കുന്ന കാര്യം പരിഗണിക്കാം. സമാന ചാർജുകൾ പരസ്പരം അകറ്റുന്നതിനാൽ, ഇന്റർഫേസിനടുത്തുള്ള ഓക്സിജൻ അയോണുകൾ എതിർ മേഖലയിലേക്ക് നീങ്ങുന്നു. തൽഫലമായി, മുമ്പ് ഓക്സിജനുമായി പൂരിതമായിരുന്ന പ്രദേശത്തിന്റെ ഒരു ഭാഗം ഓക്സിജൻ രക്ഷപ്പെടുമ്പോൾ എളുപ്പത്തിൽ വൈദ്യുതി പ്രവഹിക്കുന്ന ഒരു മേഖലയായി മാറുന്നു, കൂടാതെ വൈദ്യുത പ്രവാഹം എളുപ്പത്തിൽ ഒഴുകുന്ന പ്രദേശം ക്രമേണ വികസിക്കുന്നു. നേരെമറിച്ച്, താഴത്തെ ഇലക്ട്രോഡിൽ ഒരു നെഗറ്റീവ് വോൾട്ടേജ് പ്രയോഗിച്ചാൽ, ഓക്സിജൻ അയോണുകൾ അവയുടെ യഥാർത്ഥ ദിശയിലേക്ക് തിരികെ നീങ്ങുന്നു, ഇത് ഉയർന്ന വൈദ്യുതചാലകതയുള്ള പ്രദേശം ചുരുങ്ങാൻ കാരണമാകുന്നു, അതേസമയം ആവശ്യത്തിന് ഓക്സിജൻ ഉള്ള പ്രദേശം വീണ്ടും വികസിക്കുന്നു. വോൾട്ടേജ് പ്രയോഗിക്കുന്നിടത്തോളം കാലം ഈ മാറ്റങ്ങൾ തുടരുന്നു, ഇത് ഒരു മെമ്മറിസ്റ്ററിന്റെ ആദ്യ സ്വഭാവം പ്രകടമാക്കുന്നു: ഒഴുകുന്ന വൈദ്യുതധാരയുടെ അളവിനെ ആശ്രയിച്ച് അതിന്റെ പ്രതിരോധ മൂല്യം മാറുന്നു.
അപ്പോൾ പവർ ഓഫ് ചെയ്തതിനുശേഷവും പ്രതിരോധ മൂല്യം മാറ്റമില്ലാതെ തുടരുന്നത് എന്തുകൊണ്ട്? വോൾട്ടേജിനെ ആശ്രയിച്ച് ട്രാൻസിസ്റ്ററുകളും അവയുടെ അവസ്ഥ മാറ്റുന്നു, പക്ഷേ പവർ വിച്ഛേദിക്കപ്പെട്ടാൽ അവയ്ക്ക് സാധാരണയായി ആ അവസ്ഥ നിലനിർത്താൻ കഴിയില്ല. ഇതിനു വിപരീതമായി, ഒരു മെമ്മറിസ്റ്ററിൽ ടൈറ്റാനിയം ഓക്സൈഡിനുള്ളിലെ ആറ്റോമിക് ക്രമീകരണം മാറുന്നതിനാൽ, പവർ വിച്ഛേദിക്കപ്പെട്ടതിനുശേഷവും അന്തിമ അവസ്ഥ നിലനിർത്തുന്നു.
ഓക്സിജന്റെ കുറവുള്ള പ്രദേശങ്ങളിൽ, രണ്ട് തരം ടൈറ്റാനിയം അയോണുകൾ (Ti³⁺, Ti⁴⁺) നിലനിൽക്കുന്നു. ഓക്സിജൻ അയോണുകൾ നീങ്ങുമ്പോൾ, ചാർജ് ബാലൻസ് നിലനിർത്താൻ ഇലക്ട്രോണുകൾ ടൈറ്റാനിയം അയോണുകൾക്കിടയിൽ മാറുന്നു, ഈ പ്രക്രിയയിൽ, ചില Ti³⁺ അയോണുകൾ Ti⁴⁺ അയോണുകളായി പരിവർത്തനം ചെയ്യപ്പെടുന്നു. കൂടുതൽ പോസിറ്റീവ് ചാർജ് വഹിക്കുന്ന Ti⁴⁺ അയോണുകൾ നെഗറ്റീവ് ചാർജ്ജ് ചെയ്ത ഓക്സിജൻ അയോണുകളെ കൂടുതൽ ശക്തമായി ആകർഷിക്കുന്നതിനാൽ, ഈ ചാർജ് കൈമാറ്റം സ്വാഭാവികമായി സംഭവിക്കുന്നു. ആത്യന്തികമായി, വോൾട്ടേജ് നീക്കം ചെയ്തതിനുശേഷവും, ആറ്റങ്ങളുടെ പുതിയ ക്രമീകരണം മാറ്റമില്ലാതെ തുടരുന്നു, അതിനാൽ പ്രതിരോധവും അതിന്റെ അന്തിമ അവസ്ഥ നിലനിർത്തുന്നു.
ലളിതമായി പറഞ്ഞാൽ, ഒരു സബ്വേ സീറ്റിൽ ഒരാൾ ഇരിക്കുമ്പോൾ തൊട്ടടുത്ത സീറ്റ് ഒഴിഞ്ഞുകിടക്കുന്ന സാഹചര്യത്തിന് സമാനമാണിത്. ഓരോ തവണ ട്രെയിൻ നീങ്ങുമ്പോഴും, ആ വ്യക്തി ഒരു സീറ്റ് ഒഴിഞ്ഞ സീറ്റിലേക്ക് മാറ്റുന്നു, പക്ഷേ ഒഴിഞ്ഞ സീറ്റുകളുടെ എണ്ണം ഒന്നിൽ തന്നെ തുടരുന്നു. വ്യക്തിയുടെ സ്ഥാനം മാറുന്നുണ്ടെങ്കിലും സീറ്റുകളുടെ മൊത്തത്തിലുള്ള ഘടന അതേപടി തുടരുന്നതുപോലെ, ഒരു മെമ്മറിസ്റ്ററിൽ, മൊത്തത്തിലുള്ള ഘടന സംരക്ഷിക്കപ്പെടുമ്പോൾ ഓക്സിജൻ അയോണുകളുടെയും ഇലക്ട്രോണുകളുടെയും ക്രമീകരണം മാത്രമേ മാറുന്നുള്ളൂ, ഇത് അതിന്റെ മുൻ അവസ്ഥയെ "ഓർമ്മിക്കാൻ" അനുവദിക്കുന്നു.
മനുഷ്യ സിനാപ്സുകളുടേതിന് സമാനമായ സ്വഭാവമാണിതെന്ന് ശാസ്ത്രജ്ഞർ ശ്രദ്ധിക്കുന്നു. സിനാപ്സുകളിൽ, ഒരേ സിഗ്നൽ ആവർത്തിക്കുമ്പോൾ ന്യൂറൽ ട്രാൻസ്മിഷന്റെ കാര്യക്ഷമത മാറുന്നു; അതുപോലെ, മെമ്മറിസ്റ്ററുകളിൽ, വൈദ്യുതധാര ആവർത്തിച്ച് പ്രവഹിക്കുമ്പോൾ പ്രതിരോധ മൂല്യം മാറുന്നു. ഈ സമാനതകൾ കാരണം, മനുഷ്യ തലച്ചോറിനെ അനുകരിക്കുന്ന ന്യൂറോമോർഫിക് കമ്പ്യൂട്ടിംഗിന്റെ പ്രധാന ഘടകങ്ങളായി മെമ്മറിസ്റ്ററുകളെ ഗവേഷണം ചെയ്യുന്നു. വാസ്തവത്തിൽ, ന്യൂറോണുകളുടെയും സിനാപ്സുകളുടെയും സ്വഭാവം അനുകരിക്കുന്നതിനായി മെമ്മറിസ്റ്ററുകളെ CMOS (കോംപ്ലിമെന്ററി മെറ്റൽ ഓക്സൈഡ് സെമികണ്ടക്ടർ) സർക്യൂട്ടുകളുമായി സംയോജിപ്പിച്ച് ഗവേഷകർ വിവിധ തരം കൃത്രിമ ഇന്റലിജൻസ് ഹാർഡ്വെയറുകൾ വികസിപ്പിക്കുന്നുണ്ട്, അനുബന്ധ ഗവേഷണങ്ങൾ നിലവിൽ നടക്കുന്നുണ്ട്.
ഏതാനും പതിറ്റാണ്ടുകൾക്കുള്ളിൽ, പാനീയ വെൻഡിംഗ് മെഷീനുകൾ പോലും മനുഷ്യ മസ്തിഷ്കത്തിന് സമാനമായ കൃത്രിമബുദ്ധി ഉപയോഗിച്ച് സജ്ജീകരിച്ചേക്കാം. ഒരു വെൻഡിംഗ് മെഷീനിന് മുന്നിൽ നിന്ന് ഒരു ബട്ടൺ അമർത്തുന്നത് സങ്കൽപ്പിക്കുക, അപ്പോൾ മെഷീൻ നിങ്ങളുടെ വിരലടയാളമോ മറ്റ് ബയോമെട്രിക് വിവരങ്ങളോ തിരിച്ചറിഞ്ഞ്, "കഴിഞ്ഞ വേനൽക്കാലത്ത് നിങ്ങൾ എന്ത് പാനീയം കഴിച്ചുവെന്ന് എനിക്കറിയാം" എന്ന് പറയും. നിങ്ങൾക്ക് മറുപടി നൽകാം, "എങ്കിൽ കഴിഞ്ഞ തവണത്തെ അതേ പാനീയം എനിക്കും തരൂ."
