У овом блог посту ћемо истражити принципе и карактеристике мемристора - електронских уређаја који имитирају људске синапсе - и њихов значај у технологији вештачке интелигенције.
Када се први пут возите метроом, звецкање точкова делује необично гласно. Међутим, како воз пролази једну станицу за другом, долази тренутак када једва да више примећујемо тај звук. То је зато што су нам чула постала десензибилизована док се исти стимулус понавља. Насупрот томе, чула машине се не десензибилизирају лако. Узмимо за пример аутомат за продају пића. Машина прецизно детектује које је дугме притиснуто, а затим сипа одговарајуће пиће. Чак и ако се овај процес понавља цео дан, машина без оклевања изводи исту радњу следећег дана. Код већине машина, перформансе остају конзистентне чак и током таквих понављајућих задатака. Па, шта ако машине поседују карактеристику да им се чула отупе, баш као и код људи?
Сензорна тупост је уско повезана са синапсама. Синапсе су везе између неурона - нервних ћелија које чине људски мозак - а сензорне информације се преносе у облику електрохемијских сигнала док пролазе кроз неуроне и синапсе. Када се исти сигнал преноси више пута, ефикасност неуронског преноса на синапси се привремено смањује, што резултира феноменом познатим као сензорна тупост. Дакле, да ли је могуће опонашати ове карактеристике синапси у рачунарима?
Језгро конвенционалних рачунара састоји се од безброј транзистора. У ствари, раније су спроведена истраживања како би се имитирале људске синапсе помоћу транзистора. Међутим, познато је да људски мозак садржи преко 100 трилиона синапси, а имплементација свих њих помоћу транзистора суочава се са значајним ограничењима у погледу густине интеграције и потрошње енергије. Како неуронске мреже засноване на транзисторима расту, њихови захтеви за простором и потрошња енергије драматично се повећавају. Из тог разлога, истраживачи усмеравају пажњу на нови електронски уређај назван мемристор, који може да имплементира карактеристике сличније онима људских синапси.
Термин „мемристор“ је скуп речи „меморија“ и „отпорник“; односи се на ултрамали електронски уређај који задржава утицај прошлог тока струје. Док отпорник обично одређује величину тока струје, вредност отпора мемристора се мења у зависности од укупне количине струје која је протекла кроз њега. Такође задржава своје последње стање отпора чак и након прекида напајања струјом. Ове карактеристике се сматрају великом предношћу јер омогућавају чување информација без потребе за посебним меморијским уређајем. Иако конвенционални транзистори такође могу да чувају информације, они захтевају додатна кола, што повећава величину уређаја и повећава потрошњу енергије. Насупрот томе, мемристори имају једноставну структуру, троше мало енергије и добро су прилагођени за високу интеграцију; као резултат тога, истражују се као кључна технологија у областима меморије следеће генерације и неуроморфног рачунарства.
Иако је концепт мемристора први предложио професор Леон О. Чуа 1971. године, у то време није добио много пажње јер се технологија транзистора брзо развијала. Међутим, након што су истраживачи у компанији Hewlett-Packard успешно имплементирали прави мемристор 2008. године, истраживања у вези са овим су добила значајан замах и сада се сматра једном од основних технологија у областима полупроводника следеће генерације и хардвера вештачке интелигенције.
Мемристор је у основи структуриран са титанијум оксидом (TiO₂) смештеним између платинских електрода. Титанијум диоксид је подељен на два региона са различитим својствима у зависности од расподеле кисеоника. Један регион је титанијум диоксид (TiO₂), који је потпуно засићен кисеоником и где се кисеоник једва креће; други је титанијум диоксид (TiO₂-x), где недостаје мало кисеоника, што омогућава кисеонику да се релативно слободно креће. Пошто струја лако тече кроз регион где је кисеоник делимично исцрпљен чак и при ниским напонима, укупни електрични отпор се смањује како се удео овог региона повећава. Платинасте електроде се постављају изнад и испод слоја титанијум диоксида да би се применио напон.
Сада, размотримо случај када се на горњу електроду примењује негативан напон. Пошто се иста наелектрисања одбијају, јони кисеоника близу површине се крећу ка супротном региону. Као резултат тога, део региона који је претходно био засићен кисеоником постаје регион где електрицитет лако тече док кисеоник излази, а регион где струја лако тече постепено се шири. Насупрот томе, ако се на доњу електроду примени негативан напон, јони кисеоника се враћају у свом првобитном смеру, што узрокује да се регион са високом електричном проводљивошћу скупља, док се регион са довољно кисеоника поново шири. Ове промене се настављају све док се примењује напон, демонстрирајући прву карактеристику мемристора: вредност његовог отпора се мења у зависности од количине струје која тече.
Па зашто вредност отпора остаје непромењена чак и након искључивања напајања? Транзистори такође мењају своје стање у зависности од напона, али генерално не могу да одрже то стање када се напајање искључи. Насупрот томе, пошто се атомски распоред унутар самог титанијум оксида мења у мемристору, коначно стање се задржава чак и након искључивања напајања.
У регионима где је кисеоник делимично дефицитаран, постоје две врсте јона титанијума (Ti³⁺, Ti⁴⁺). Када се јони кисеоника крећу, електрони се померају између јона титанијума како би одржали равнотежу наелектрисања, а у том процесу се неки Ti³⁺ јони претварају у Ti⁴⁺ јоне. Пошто Ti⁴⁺ јони, који носе веће позитивно наелектрисање, јаче привлаче негативно наелектрисане јоне кисеоника, овај пренос наелектрисања се дешава природно. На крају крајева, чак и након што се напон уклони, нови распоред атома остаје непромењен, тако да отпор такође задржава своје коначно стање.
Једноставно речено, слично је ситуацији у којој једна особа седи у метроу, а седиште поред ње је празно. Сваки пут када се воз покрене, особа помера једно седиште на празно место, али број празних седишта остаје један. Баш као што се положај особе мења, али укупна структура седишта остаје иста, у мемристору се мења само распоред јона кисеоника и електрона, док се укупна структура очува, што му омогућава да „запамти“ своје претходно стање.
Научници примећују да је ова карактеристика веома слична карактеристици људских синапси. У синапсама се ефикасност неуронског преноса мења како се исти сигнал понавља; слично томе, код мемристорима, вредност отпора се мења када струја тече више пута. Због ових сличности, мемристори се истражују као основне компоненте неуроморфног рачунарства, које опонаша људски мозак. Заправо, истраживачи развијају различите врсте хардвера вештачке интелигенције комбиновањем мемристорија са CMOS (комплементарни метал-оксид-полупроводник) колима како би опонашали понашање неурона и синапси, а сродна истраживања су тренутно у току.
За неколико деценија, чак би и аутомати за продају пића могли бити опремљени вештачком интелигенцијом која подсећа на људски мозак. Замислите да стојите испред аутомата и притиснете дугме, само да би машина препознала ваш отисак прста или друге биометријске податке и рекла: „Знам које сте пиће пили прошлог лета.“ Можда ћете једноставно одговорити: „Онда ми дајте исто као прошлог пута.“
