В этой статье мы рассмотрим принципы и характеристики мемристоров — электронных устройств, имитирующих человеческие синапсы, — и их значение в технологиях искусственного интеллекта.
Когда вы впервые едете в метро, лязг колёс кажется необычайно громким. Однако, по мере того как поезд проезжает одну станцию за другой, наступает момент, когда мы почти перестаём замечать этот звук. Это происходит потому, что наши чувства притупляются по мере повторения одного и того же раздражителя. В отличие от этого, чувства машины не так легко притупляются. Возьмём в качестве примера автомат по продаже напитков. Автомат точно определяет, какая кнопка была нажата, и затем выдаёт соответствующий напиток. Даже если этот процесс повторяется весь день, автомат выполняет то же действие без задержек на следующий день. Для большинства машин производительность остаётся стабильной даже при таких повторяющихся задачах. Что, если бы машины обладали свойством притуплять свои чувства, как люди?
Притупление сенсорных ощущений тесно связано с синапсами. Синапсы — это связи между нейронами — нервными клетками, составляющими человеческий мозг, — и сенсорная информация передается в виде электрохимических сигналов, проходя через нейроны и синапсы. Когда один и тот же сигнал передается многократно, эффективность нейронной передачи в синапсе временно снижается, что приводит к явлению, известному как притупление сенсорных ощущений. Возможно ли имитировать эти характеристики синапсов в компьютерах?
В основе обычных компьютеров лежит бесчисленное множество транзисторов. Фактически, ранее проводились исследования по имитации человеческих синапсов с помощью транзисторов. Однако известно, что человеческий мозг содержит более 100 триллионов синапсов, и реализация всех их с помощью транзисторов сталкивается со значительными ограничениями с точки зрения плотности интеграции и энергопотребления. По мере роста масштабов нейронных сетей на основе транзисторов резко возрастают их требования к занимаемому пространству и энергопотреблению. По этой причине исследователи обращают внимание на новое электронное устройство, называемое мемристором, которое может реализовывать характеристики, более схожие с характеристиками человеческих синапсов.
Термин «мемристор» — это сочетание слов «память» и «резистор»; он обозначает сверхмалое электронное устройство, сохраняющее влияние предыдущего протекающего тока. В то время как резистор обычно определяет величину протекающего тока, значение сопротивления мемристора изменяется в зависимости от общего количества тока, прошедшего через него. Он также сохраняет свое последнее состояние сопротивления даже после отключения питания. Эти характеристики считаются важным преимуществом, поскольку позволяют хранить информацию без необходимости использования отдельного запоминающего устройства. Хотя обычные транзисторы также могут хранить информацию, они требуют дополнительной схемы, что увеличивает размер устройства и повышает энергопотребление. В отличие от них, мемристоры имеют простую структуру, потребляют мало энергии и хорошо подходят для высокой степени интеграции; в результате они исследуются как ключевая технология в области памяти следующего поколения и нейроморфных вычислений.
Хотя концепция мемристора была впервые предложена профессором Леоном О. Чуа в 1971 году, в то время она не получила должного внимания, поскольку транзисторные технологии быстро развивались. Однако после того, как исследователи из Hewlett-Packard успешно реализовали реальный мемристор в 2008 году, соответствующие исследования получили значительный импульс, и теперь мемристор считается одной из ключевых технологий в области полупроводников следующего поколения и аппаратного обеспечения для искусственного интеллекта.
Мемристор имеет фундаментальную структуру, в которой оксид титана (TiO₂) расположен между платиновыми электродами. Диоксид титана разделен на две области с различными свойствами в зависимости от распределения кислорода. Одна область — это диоксид титана (TiO₂), полностью насыщенный кислородом, где кислород практически не перемещается; другая — это диоксид титана (TiO₂-x), где отсутствует часть кислорода, что позволяет кислороду перемещаться относительно свободно. Поскольку ток легко протекает через область с частичным дефицитом кислорода даже при низких напряжениях, общее электрическое сопротивление уменьшается по мере увеличения доли этой области. Платиновые электроды располагаются над и под слоем диоксида титана для приложения напряжения.
Теперь рассмотрим случай, когда к верхнему электроду приложено отрицательное напряжение. Поскольку одноименные заряды отталкиваются друг от друга, ионы кислорода вблизи границы раздела движутся в противоположную сторону. В результате часть области, ранее насыщенной кислородом, становится областью, где электричество легко течет по мере выхода кислорода, и область, где ток легко течет, постепенно расширяется. И наоборот, если к нижнему электроду приложить отрицательное напряжение, ионы кислорода движутся обратно в своем первоначальном направлении, вызывая сжатие области с высокой электропроводностью, в то время как область с достаточным количеством кислорода снова расширяется. Эти изменения продолжаются до тех пор, пока приложено напряжение, демонстрируя первую характеристику мемристора: значение его сопротивления изменяется в зависимости от величины протекающего тока.
Так почему же значение сопротивления остается неизменным даже после отключения питания? Транзисторы также изменяют свое состояние в зависимости от напряжения, но, как правило, они не могут сохранять это состояние после отключения питания. В отличие от них, в мемристоре, поскольку изменяется атомная структура внутри самого оксида титана, конечное состояние сохраняется даже после отключения питания.
В областях с частичным дефицитом кислорода существуют два типа ионов титана (Ti³⁺, Ti⁴⁺). При движении ионов кислорода электроны перемещаются между ионами титана для поддержания баланса заряда, и в процессе часть ионов Ti³⁺ превращается в ионы Ti⁴⁺. Поскольку ионы Ti⁴⁺, несущие больший положительный заряд, сильнее притягивают отрицательно заряженные ионы кислорода, этот перенос заряда происходит естественным образом. В конечном итоге, даже после снятия напряжения новое расположение атомов остается неизменным, поэтому сопротивление также сохраняет свое конечное состояние.
Проще говоря, это похоже на ситуацию, когда человек сидит в метро, а соседнее сиденье пустое. Каждый раз, когда поезд движется, человек перемещается на одно место, но количество пустых мест остается неизменным. Точно так же, как меняется положение человека, но общая структура сидений остается прежней, в мемристоре изменяется только расположение ионов кислорода и электронов, в то время как общая структура сохраняется, позволяя ему «запоминать» свое предыдущее состояние.
Ученые отмечают, что эта характеристика очень похожа на характеристику человеческих синапсов. В синапсах эффективность нейронной передачи изменяется при повторении одного и того же сигнала; аналогично, в мемристорах значение сопротивления изменяется при многократном протекании тока. Из-за этих сходств мемристоры исследуются как основные компоненты нейроморфных вычислений, имитирующих человеческий мозг. Фактически, исследователи разрабатывают различные типы аппаратного обеспечения для искусственного интеллекта, комбинируя мемристоры с КМОП-схемами (комплементарными металлооксидными полупроводниками) для имитации поведения нейронов и синапсов, и соответствующие исследования в настоящее время ведутся.
Через несколько десятилетий даже автоматы по продаже напитков могут быть оснащены искусственным интеллектом, напоминающим человеческий мозг. Представьте, что вы стоите перед торговым автоматом и нажимаете кнопку, а автомат распознает ваш отпечаток пальца или другую биометрическую информацию и говорит: «Я знаю, какой напиток вы пили прошлым летом». Вы, возможно, просто ответите: «Тогда дайте мне тот же самый, что и в прошлый раз».
