V tomto blogovom príspevku preskúmame princípy a vlastnosti memristorov – elektronických zariadení, ktoré napodobňujú ľudské synapsie – a ich význam v technológii umelej inteligencie.
Keď prvýkrát cestujete metrom, klopkajúci zvuk kolies sa zdá byť nezvyčajne hlasný. Avšak, ako vlak prechádza jednou stanicou za druhou, príde bod, keď si tento zvuk už takmer nevšimneme. Je to preto, že naše zmysly sa stali necitlivými, pretože sa opakuje ten istý podnet. Naproti tomu zmysly stroja sa necítia tak ľahko. Vezmime si ako príklad automat na nápoje. Automat presne zistí, ktoré tlačidlo bolo stlačené, a potom vydá zodpovedajúci nápoj. Aj keď sa tento proces opakuje celý deň, stroj vykoná rovnakú akciu bez váhania na druhý deň. Pre väčšinu strojov zostáva výkon konzistentný aj pri takýchto opakujúcich sa úlohách. Čo keby teda stroje mali vlastnosť, že majú otupené zmysly, rovnako ako ľudia?
Senzorická otupenie úzko súvisí so synapsiami. Synapsie sú spojenia medzi neurónmi – nervovými bunkami, ktoré tvoria ľudský mozog – a senzorické informácie sa prenášajú vo forme elektrochemických signálov, keď prechádzajú neurónmi a synapsiami. Keď sa ten istý signál prenáša opakovane, účinnosť nervového prenosu na synapsii sa dočasne znižuje, čo vedie k javu známemu ako senzorická otupenie. Je teda možné napodobniť tieto vlastnosti synapsií v počítačoch?
Jadro konvenčných počítačov pozostáva z nespočetného množstva tranzistorov. V skutočnosti sa už predtým vykonával výskum napodobňovania ľudských synapsií pomocou tranzistorov. Je však známe, že ľudský mozog obsahuje viac ako 100 biliónov synapsií a implementácia všetkých z nich pomocou tranzistorov čelí značným obmedzeniam, pokiaľ ide o hustotu integrácie a spotrebu energie. S rastúcim rozsahom neurónových sietí založených na tranzistoroch sa dramaticky zvyšujú ich priestorové nároky a spotreba energie. Z tohto dôvodu výskumníci obracajú svoju pozornosť na nové elektronické zariadenie nazývané memristor, ktoré dokáže implementovať charakteristiky podobajúce sa charakteristikám ľudských synapsií.
Termín „memristor“ je spojením slov „pamäť“ a „rezistor“; označuje ultramalé elektronické zariadenie, ktoré si zachováva vplyv predchádzajúceho toku prúdu. Zatiaľ čo rezistor zvyčajne určuje veľkosť toku prúdu, hodnota odporu memristora sa mení v závislosti od celkového množstva prúdu, ktorý ním pretekal. Zachováva si svoj posledný stav odporu aj po prerušení dodávky prúdu. Tieto vlastnosti sa považujú za hlavnú výhodu, pretože umožňujú ukladanie informácií bez potreby samostatného pamäťového zariadenia. Zatiaľ čo konvenčné tranzistory dokážu tiež ukladať informácie, vyžadujú si dodatočné obvody, čo zväčšuje veľkosť zariadenia a zvyšuje spotrebu energie. Naproti tomu memristory majú jednoduchú štruktúru, spotrebúvajú málo energie a sú vhodné pre vysokú integráciu; v dôsledku toho sa skúmajú ako kľúčová technológia v oblasti pamätí novej generácie a neuromorfných výpočtov.
Hoci koncept memristoru prvýkrát navrhol profesor Leon O. Chua v roku 1971, v tom čase sa mu nevenovala veľká pozornosť, pretože technológia tranzistorov sa rýchlo rozvíjala. Po úspešnej implementácii skutočného memristoru v roku 2008 však súvisiaci výskum získal významný impulz a v súčasnosti sa považuje za jednu z kľúčových technológií v oblasti polovodičov novej generácie a hardvéru umelej inteligencie.
Memristor je v podstate štruktúrovaný s oxidom titaničitým (TiO₂) vloženým medzi platinové elektródy. Oxid titaničitý je rozdelený do dvoch oblastí s rôznymi vlastnosťami v závislosti od distribúcie kyslíka. Jedna oblasť je oxid titaničitý (TiO₂), ktorý je úplne nasýtený kyslíkom a kde sa kyslík takmer nepohybuje; druhá je oxid titaničitý (TiO₂-x), kde chýba časť kyslíka, čo umožňuje kyslíku relatívne voľný pohyb. Keďže prúd preteká ľahko oblasťou, kde je kyslík čiastočne vyčerpaný, aj pri nízkom napätí, celkový elektrický odpor sa znižuje so zvyšujúcim sa podielom tejto oblasti. Platinové elektródy sú umiestnené nad a pod vrstvou oxidu titaničitého, aby sa na ne aplikovalo napätie.
Teraz uvažujme prípad, keď je na hornú elektródu privedené záporné napätie. Keďže sa rovnaké náboje navzájom odpudzujú, kyslíkové ióny v blízkosti rozhrania sa pohybujú smerom k opačnej oblasti. V dôsledku toho sa časť oblasti, ktorá bola predtým nasýtená kyslíkom, stane oblasťou, kde elektrina ľahko prúdi, keď kyslík uniká, a oblasť, kde prúd ľahko prúdi, sa postupne rozširuje. Naopak, ak je na spodnú elektródu privedené záporné napätie, kyslíkové ióny sa pohybujú späť vo svojom pôvodnom smere, čo spôsobí zmenšenie oblasti s vysokou elektrickou vodivosťou, zatiaľ čo oblasť s dostatočným množstvom kyslíka sa opäť rozširuje. Tieto zmeny pokračujú, pokiaľ je privedené napätie, čo demonštruje prvú charakteristiku memristora: jeho hodnota odporu sa mení v závislosti od množstva pretekajúceho prúdu.
Prečo teda hodnota odporu zostáva nezmenená aj po vypnutí napájania? Tranzistory tiež menia svoj stav v závislosti od napätia, ale vo všeobecnosti si tento stav nedokážu udržať po výpadku napájania. Naopak, keďže sa v memristore mení atómové usporiadanie v samotnom oxide titánu, konečný stav sa zachová aj po výpadku napájania.
V oblastiach s čiastočným nedostatkom kyslíka existujú dva typy titánových iónov (Ti³⁺, Ti⁴⁺). Keď sa kyslíkové ióny pohybujú, elektróny sa presúvajú medzi titánovými iónmi, aby sa udržala rovnováha náboja, a pritom sa niektoré ióny Ti³⁺ premieňajú na ióny Ti⁴⁺. Keďže ióny Ti⁴⁺, ktoré nesú väčší kladný náboj, silnejšie priťahujú záporne nabité kyslíkové ióny, tento prenos náboja prebieha prirodzene. Nakoniec, aj po odstránení napätia, nové usporiadanie atómov zostáva nezmenené, takže si odpor tiež zachováva svoj konečný stav.
Zjednodušene povedané, je to podobné situácii, keď jedna osoba sedí v metre a sedadlo vedľa nej je prázdne. Vždy, keď sa vlak pohne, osoba sa presunie o jedno sedadlo na prázdne, ale počet voľných sedadiel zostáva rovnaký. Tak ako sa mení poloha osoby, ale celková štruktúra sedadiel zostáva rovnaká, v memristore sa mení iba usporiadanie kyslíkových iónov a elektrónov, zatiaľ čo celková štruktúra zostáva zachovaná, čo mu umožňuje „pamätať si“ svoj predchádzajúci stav.
Vedci poznamenávajú, že táto charakteristika je veľmi podobná charakteristike ľudských synapsií. V synapsiách sa účinnosť neurálneho prenosu mení s opakovaním toho istého signálu; podobne aj v memristoroch sa hodnota odporu mení, keď prúd opakovane preteká. Kvôli týmto podobnostiam sa memristory skúmajú ako základné komponenty neuromorfných výpočtov, ktoré napodobňujú ľudský mozog. V skutočnosti výskumníci vyvíjajú rôzne typy hardvéru umelej inteligencie kombináciou memristorov s obvodmi CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) s cieľom napodobniť správanie neurónov a synapsií a súvisiaci výskum v súčasnosti prebieha.
O niekoľko desaťročí by dokonca aj automaty na nápoje mohli byť vybavené umelou inteligenciou, ktorá sa podobá ľudskému mozgu. Predstavte si, že stojíte pred automatom a stlačíte tlačidlo, len aby automat rozpoznál váš odtlačok prsta alebo inú biometrickú informáciu a povedal: „Viem, aký nápoj ste pili minulé leto.“ Možno by ste jednoducho odpovedali: „Tak mi daj ten istý ako minule.“
