In dit blogbericht onderzoeken we de principes en kenmerken van memristors – elektronische apparaten die menselijke synapsen nabootsen – en hun betekenis voor kunstmatige intelligentie.
Wanneer je voor het eerst met de metro reist, lijkt het ratelende geluid van de wielen ongewoon hard. Maar naarmate de trein het ene station na het andere passeert, komt er een punt waarop we dat geluid nauwelijks meer opmerken. Dit komt doordat onze zintuigen ongevoelig zijn geworden door de herhaling van dezelfde prikkel. De zintuigen van een machine raken daarentegen niet zo snel ongevoelig. Neem bijvoorbeeld een drankautomaat. De automaat detecteert nauwkeurig welke knop is ingedrukt en geeft vervolgens het bijbehorende drankje af. Zelfs als dit proces de hele dag door wordt herhaald, voert de automaat de volgende dag zonder aarzeling dezelfde handeling uit. Bij de meeste machines blijft de prestatie consistent, zelfs bij dergelijke repetitieve taken. Wat als machines, net als mensen, de eigenschap zouden hebben dat hun zintuigen na verloop van tijd minder gevoelig worden?
Sensorische verdoving is nauw verwant aan synapsen. Synapsen zijn de verbindingen tussen neuronen – de zenuwcellen waaruit de menselijke hersenen bestaan – en sensorische informatie wordt in de vorm van elektrochemische signalen doorgegeven terwijl deze door neuronen en synapsen gaat. Wanneer hetzelfde signaal herhaaldelijk wordt doorgegeven, neemt de efficiëntie van de neurale transmissie bij de synaps tijdelijk af, wat resulteert in een fenomeen dat bekend staat als sensorische verdoving. Is het dus mogelijk om deze eigenschappen van synapsen in computers na te bootsen?
De kern van conventionele computers bestaat uit talloze transistors. Er is zelfs al eerder onderzoek gedaan naar het nabootsen van menselijke synapsen met behulp van transistors. Het is echter bekend dat het menselijk brein meer dan 100 biljoen synapsen bevat, en het implementeren daarvan met transistors stuit op aanzienlijke beperkingen wat betreft integratiedichtheid en energieverbruik. Naarmate op transistors gebaseerde neurale netwerken groter worden, nemen hun ruimtebehoefte en energieverbruik dramatisch toe. Om die reden richten onderzoekers hun aandacht op een nieuw elektronisch apparaat, de memristor, die eigenschappen kan implementeren die meer lijken op die van menselijke synapsen.
De term 'memristor' is een samenvoeging van 'geheugen' en 'weerstand'; het verwijst naar een ultracompact elektronisch apparaat dat de invloed van een eerdere stroomdoorgang behoudt. Waar een weerstand doorgaans de grootte van de stroomdoorgang bepaalt, verandert de weerstandswaarde van een memristor afhankelijk van de totale hoeveelheid stroom die erdoorheen is gevloeid. Bovendien behoudt de memristor zijn laatst ingestelde weerstandswaarde, zelfs nadat de stroomtoevoer is onderbroken. Deze eigenschappen worden beschouwd als een groot voordeel, omdat ze het mogelijk maken informatie op te slaan zonder dat er een apart geheugen nodig is. Hoewel conventionele transistors ook informatie kunnen opslaan, vereisen ze extra schakelingen, wat de omvang van het apparaat vergroot en het stroomverbruik verhoogt. Memristors daarentegen hebben een eenvoudige structuur, verbruiken weinig energie en zijn zeer geschikt voor hoge integratie; daarom worden ze onderzocht als een sleuteltechnologie op het gebied van de volgende generatie geheugen en neuromorfische computers.
Hoewel het concept van de memristor al in 1971 werd voorgesteld door professor Leon O. Chua, kreeg het destijds weinig aandacht omdat de transistortechnologie zich snel ontwikkelde. Nadat onderzoekers van Hewlett-Packard in 2008 echter met succes een echte memristor hadden gebouwd, kreeg het onderzoek hiernaar een aanzienlijke impuls. De memristor wordt nu beschouwd als een van de kerntechnologieën op het gebied van de volgende generatie halfgeleiders en hardware voor kunstmatige intelligentie.
Een memristor is in principe opgebouwd uit titaniumoxide (TiO₂) ingeklemd tussen platina-elektroden. Titaniumdioxide is verdeeld in twee gebieden met verschillende eigenschappen, afhankelijk van de zuurstofverdeling. Het ene gebied is titaniumdioxide (TiO₂), dat volledig verzadigd is met zuurstof en waar zuurstof zich nauwelijks verplaatst; het andere is titaniumdioxide (TiO₂-x), waar een deel van de zuurstof ontbreekt, waardoor zuurstof zich relatief vrij kan bewegen. Omdat stroom gemakkelijk vloeit door het gebied waar de zuurstof gedeeltelijk is uitgeput, zelfs bij lage spanningen, neemt de totale elektrische weerstand af naarmate het aandeel van dit gebied toeneemt. Platina-elektroden worden boven en onder de titaniumdioxidelaag geplaatst om spanning aan te leggen.
Laten we nu eens kijken naar het geval waarin een negatieve spanning wordt aangelegd op de bovenste elektrode. Omdat gelijke ladingen elkaar afstoten, bewegen de zuurstofionen nabij het grensvlak zich naar het tegenoverliggende gebied. Als gevolg hiervan wordt een deel van het gebied dat voorheen verzadigd was met zuurstof een gebied waar elektriciteit gemakkelijk stroomt doordat zuurstof ontsnapt, en het gebied waar stroom gemakkelijk stroomt, breidt zich geleidelijk uit. Omgekeerd, als een negatieve spanning wordt aangelegd op de onderste elektrode, bewegen de zuurstofionen terug in hun oorspronkelijke richting, waardoor het gebied met een hoge elektrische geleidbaarheid krimpt, terwijl het gebied met voldoende zuurstof zich weer uitbreidt. Deze veranderingen gaan door zolang de spanning wordt aangelegd, wat de eerste eigenschap van een memristor aantoont: de weerstandswaarde verandert afhankelijk van de hoeveelheid stroom die erdoorheen vloeit.
Waarom blijft de weerstandswaarde dan onveranderd, zelfs nadat de stroom is uitgeschakeld? Transistors veranderen ook van toestand afhankelijk van de spanning, maar ze kunnen die toestand over het algemeen niet behouden zodra de stroom is uitgeschakeld. In tegenstelling hiermee blijft de uiteindelijke toestand behouden, zelfs nadat de stroom is uitgeschakeld, doordat de atomaire structuur binnen het titaniumoxide zelf verandert in een memristor.
In gebieden met een gedeeltelijk zuurstoftekort komen twee soorten titaniumionen voor (Ti³⁺ en Ti⁴⁺). Wanneer zuurstofionen bewegen, verschuiven elektronen tussen de titaniumionen om de ladingsbalans te behouden. Tijdens dit proces worden sommige Ti³⁺-ionen omgezet in Ti⁴⁺-ionen. Omdat Ti⁴⁺-ionen, die een grotere positieve lading dragen, de negatief geladen zuurstofionen sterker aantrekken, vindt deze ladingsverschuiving op natuurlijke wijze plaats. Uiteindelijk blijft de nieuwe rangschikking van atomen onveranderd, zelfs nadat de spanning is verwijderd, waardoor de weerstand ook zijn uiteindelijke waarde behoudt.
Simpel gezegd, het is vergelijkbaar met een situatie waarin iemand in een metro zit en de stoel ernaast leeg is. Elke keer dat de trein rijdt, schuift de persoon een stoel op naar de lege stoel, maar het aantal lege stoelen blijft één. Net zoals de positie van de persoon verandert maar de algehele structuur van de stoelen hetzelfde blijft, verandert in een memristor alleen de rangschikking van zuurstofionen en elektronen, terwijl de algehele structuur behouden blijft. Hierdoor kan de memristor zijn vorige toestand 'onthouden'.
Wetenschappers merken op dat deze eigenschap sterk lijkt op die van menselijke synapsen. In synapsen verandert de efficiëntie van de neurale transmissie wanneer hetzelfde signaal wordt herhaald; op dezelfde manier verandert in memristors de weerstandswaarde wanneer er herhaaldelijk stroom doorheen loopt. Vanwege deze overeenkomsten worden memristors onderzocht als kerncomponenten van neuromorfische computers, die het menselijk brein nabootsen. Onderzoekers ontwikkelen momenteel diverse soorten hardware voor kunstmatige intelligentie door memristors te combineren met CMOS-circuits (Complementary Metal Oxide Semiconductor) om het gedrag van neuronen en synapsen na te bootsen, en gerelateerd onderzoek is momenteel gaande.
Over een paar decennia zijn zelfs drankautomaten wellicht uitgerust met kunstmatige intelligentie die lijkt op het menselijk brein. Stel je voor dat je voor een automaat staat en op een knop drukt, waarna de automaat je vingerafdruk of andere biometrische gegevens herkent en zegt: "Ik weet welk drankje je afgelopen zomer had." Je zou dan kunnen antwoorden: "Geef me dan hetzelfde als de vorige keer."
