Dalam catatan blog ini, kita akan meneroka prinsip dan ciri memristor—peranti elektronik yang meniru sinaps manusia—dan kepentingannya dalam teknologi kecerdasan buatan.
Apabila anda pertama kali menaiki kereta api bawah tanah, bunyi deruman roda kereta api kelihatan luar biasa kuat. Walau bagaimanapun, apabila kereta api melalui satu stesen demi satu stesen, tiba satu ketika apabila kita hampir tidak menyedari bunyi itu lagi. Ini kerana deria kita telah menjadi tidak sensitif apabila rangsangan yang sama diulang. Sebaliknya, deria mesin tidak mudah menjadi tidak sensitif. Mari kita ambil mesin layan diri minuman sebagai contoh. Mesin mengesan butang yang telah ditekan dengan tepat dan kemudian mengeluarkan minuman yang sepadan. Walaupun proses ini diulang sepanjang hari, mesin melakukan tindakan yang sama tanpa teragak-agak pada keesokan harinya. Bagi kebanyakan mesin, prestasi kekal konsisten walaupun semasa tugasan berulang sedemikian. Jadi, bagaimana jika mesin mempunyai ciri deria mereka tumpul, sama seperti manusia?
Kebodohan deria berkait rapat dengan sinaps. Sinaps ialah hubungan antara neuron—sel saraf yang membentuk otak manusia—dan maklumat deria dihantar dalam bentuk isyarat elektrokimia semasa ia melalui neuron dan sinaps. Apabila isyarat yang sama dihantar berulang kali, kecekapan penghantaran saraf pada sinaps berkurangan buat sementara waktu, mengakibatkan fenomena yang dikenali sebagai kebodohan deria. Jadi, adakah mungkin untuk meniru ciri-ciri sinaps ini dalam komputer?
Teras komputer konvensional terdiri daripada transistor yang tidak terkira banyaknya. Malah, kajian sebelum ini telah dijalankan untuk meniru sinaps manusia menggunakan transistor. Walau bagaimanapun, diketahui bahawa otak manusia mengandungi lebih 100 trilion sinaps, dan pelaksanaan kesemuanya dengan transistor menghadapi batasan yang ketara dari segi ketumpatan integrasi dan penggunaan kuasa. Apabila rangkaian saraf berasaskan transistor berkembang dalam skala, keperluan ruang dan penggunaan kuasanya meningkat secara mendadak. Atas sebab ini, para penyelidik sedang mengalihkan perhatian mereka kepada peranti elektronik baharu yang dipanggil memristor, yang boleh melaksanakan ciri-ciri yang lebih serupa dengan sinaps manusia.
Istilah "memristor" merupakan gabungan perkataan "memori" dan "perintang"; ia merujuk kepada peranti elektronik ultra kecil yang mengekalkan pengaruh aliran arus lalu. Walaupun perintang biasanya menentukan magnitud aliran arus, nilai rintangan memristor berubah bergantung pada jumlah arus yang telah mengalir melaluinya. Ia juga mengekalkan keadaan rintangan terakhirnya walaupun selepas bekalan arus diputuskan. Ciri-ciri ini dianggap sebagai kelebihan utama kerana ia membolehkan maklumat disimpan tanpa memerlukan peranti memori berasingan. Walaupun transistor konvensional juga boleh menyimpan maklumat, ia memerlukan litar tambahan, yang meningkatkan saiz peranti dan meningkatkan penggunaan kuasa. Sebaliknya, memristor mempunyai struktur yang ringkas, menggunakan sedikit kuasa dan sesuai untuk integrasi yang tinggi; hasilnya, ia sedang dikaji sebagai teknologi utama dalam bidang memori generasi akan datang dan pengkomputeran neuromorfik.
Walaupun konsep memristor pertama kali dicadangkan oleh Profesor Leon O. Chua pada tahun 1971, ia tidak mendapat banyak perhatian pada masa itu kerana teknologi transistor berkembang pesat. Walau bagaimanapun, selepas penyelidik di Hewlett-Packard berjaya melaksanakan memristor sebenar pada tahun 2008, penyelidikan berkaitan mendapat momentum yang ketara, dan kini dianggap sebagai salah satu teknologi teras dalam bidang semikonduktor generasi akan datang dan perkakasan kecerdasan buatan.
Sebuah memristor pada asasnya berstruktur dengan titanium oksida (TiO₂) yang diapit di antara elektrod platinum. Titanium dioksida dibahagikan kepada dua kawasan dengan sifat berbeza bergantung pada taburan oksigen. Satu kawasan ialah titanium dioksida (TiO₂), yang tepu sepenuhnya dengan oksigen dan di mana oksigen hampir tidak bergerak; yang satu lagi ialah titanium dioksida (TiO₂-x), di mana sedikit oksigen hilang, membolehkan oksigen bergerak secara relatif bebas. Oleh kerana arus mengalir dengan mudah melalui kawasan di mana oksigen sebahagiannya berkurangan walaupun pada voltan rendah, rintangan elektrik keseluruhan berkurangan apabila perkadaran kawasan ini meningkat. Elektrod platinum diletakkan di atas dan di bawah lapisan titanium dioksida untuk mengenakan voltan.
Sekarang, mari kita pertimbangkan kes di mana voltan negatif dikenakan pada elektrod atas. Oleh kerana cas yang sama menolak antara satu sama lain, ion oksigen berhampiran antara muka bergerak ke arah kawasan yang bertentangan. Akibatnya, sebahagian daripada kawasan yang sebelum ini tepu dengan oksigen menjadi kawasan di mana elektrik mengalir dengan mudah apabila oksigen terlepas, dan kawasan di mana arus mengalir dengan mudah secara beransur-ansur mengembang. Sebaliknya, jika voltan negatif dikenakan pada elektrod bawah, ion oksigen bergerak kembali ke arah asalnya, menyebabkan kawasan yang mempunyai kekonduksian elektrik yang tinggi mengecut, manakala kawasan yang mempunyai oksigen yang mencukupi mengembang semula. Perubahan ini berterusan selagi voltan dikenakan, menunjukkan ciri pertama memristor: nilai rintangannya berubah bergantung pada jumlah arus yang mengalir.
Jadi mengapa nilai rintangan kekal tidak berubah walaupun selepas kuasa dimatikan? Transistor juga mengubah keadaannya bergantung pada voltan, tetapi secara amnya ia tidak dapat mengekalkan keadaan tersebut sebaik sahaja kuasa diputuskan. Sebaliknya, memandangkan susunan atom dalam titanium oksida itu sendiri berubah dalam memristor, keadaan akhir dikekalkan walaupun selepas kuasa diputuskan.
Di kawasan yang kekurangan sebahagian oksigen, terdapat dua jenis ion titanium (Ti³⁺, Ti⁴⁺). Apabila ion oksigen bergerak, elektron beralih antara ion titanium untuk mengekalkan keseimbangan cas, dan dalam proses itu, beberapa ion Ti³⁺ ditukar menjadi ion Ti⁴⁺. Oleh kerana ion Ti⁴⁺, yang membawa cas positif yang lebih besar, menarik ion oksigen yang bercas negatif dengan lebih kuat, pemindahan cas ini berlaku secara semula jadi. Akhirnya, walaupun selepas voltan ditanggalkan, susunan atom baharu kekal tidak berubah, jadi rintangan juga mengekalkan keadaan akhirnya.
Secara ringkasnya, ia serupa dengan situasi di mana seorang duduk di tempat duduk kereta api bawah tanah dan tempat duduk di sebelahnya kosong. Setiap kali kereta api bergerak, orang itu mengalihkan satu tempat duduk ke tempat duduk kosong, tetapi bilangan tempat duduk kosong kekal pada satu. Sama seperti kedudukan orang itu berubah tetapi struktur keseluruhan tempat duduk tetap sama, dalam memristor, hanya susunan ion oksigen dan elektron yang berubah sementara struktur keseluruhan dikekalkan, membolehkannya "mengingati" keadaan sebelumnya.
Para saintis menyatakan bahawa ciri ini sangat serupa dengan sinaps manusia. Dalam sinaps, kecekapan penghantaran saraf berubah apabila isyarat yang sama diulang; begitu juga, dalam memristor, nilai rintangan berubah apabila arus mengalir berulang kali. Disebabkan oleh persamaan ini, memristor sedang dikaji sebagai komponen teras pengkomputeran neuromorfik, yang meniru otak manusia. Malah, para penyelidik sedang membangunkan pelbagai jenis perkakasan kecerdasan buatan dengan menggabungkan memristor dengan litar CMOS (Semikonduktor Oksida Logam Pelengkap) untuk meniru tingkah laku neuron dan sinaps, dan penyelidikan berkaitan sedang dijalankan.
Dalam beberapa dekad akan datang, mesin layan diri minuman pun mungkin dilengkapi dengan kecerdasan buatan yang menyerupai otak manusia. Bayangkan berdiri di hadapan mesin layan diri dan menekan butang, hanya untuk mesin itu mengenali cap jari anda atau maklumat biometrik lain dan berkata, "Saya tahu minuman apa yang anda minum pada musim panas lalu." Anda mungkin hanya menjawab, "Kalau begitu berikan saya minuman yang sama seperti kali terakhir."
