เครื่องจักรสามารถจดจำได้เหมือนมนุษย์หรือไม่? เหตุใดเมมริสเตอร์จึงได้รับความสนใจมากขึ้น?

ในบทความนี้ เราจะสำรวจหลักการและลักษณะเฉพาะของเมมริสเตอร์ ซึ่งเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่เลียนแบบการทำงานของไซแนปส์ในมนุษย์ และความสำคัญของมันในเทคโนโลยีปัญญาประดิษฐ์

เมื่อคุณนั่งรถไฟใต้ดินครั้งแรก เสียงล้อกระทบพื้นอาจฟังดูดังผิดปกติ แต่เมื่อรถไฟวิ่งผ่านสถานีหนึ่งไปยังอีกสถานีหนึ่ง เราจะค่อยๆ ชินกับเสียงนั้นมากขึ้น เพราะประสาทสัมผัสของเราเริ่มไม่ไวต่อสิ่งเร้าเดิมซ้ำๆ ในทางตรงกันข้าม ประสาทสัมผัสของเครื่องจักรนั้นไม่เสื่อมลงง่ายๆ ลองยกตัวอย่างเครื่องขายเครื่องดื่มอัตโนมัติ เครื่องจะตรวจจับได้อย่างแม่นยำว่าปุ่มใดถูกกด แล้วจึงจ่ายเครื่องดื่มที่ตรงกับปุ่มนั้นออกมา แม้ว่ากระบวนการนี้จะทำซ้ำทั้งวัน เครื่องก็ยังคงทำงานเดิมได้โดยไม่ลังเลในวันถัดไป สำหรับเครื่องจักรส่วนใหญ่ ประสิทธิภาพการทำงานจะคงที่แม้ในระหว่างการทำงานซ้ำๆ เช่นนี้ ดังนั้น ถ้าหากเครื่องจักรมีลักษณะที่ประสาทสัมผัสเสื่อมลงเหมือนกับมนุษย์ล่ะ?
ความรู้สึกชาด้านประสาทสัมผัสมีความเกี่ยวข้องอย่างใกล้ชิดกับไซแนปส์ ไซแนปส์คือจุดเชื่อมต่อระหว่างเซลล์ประสาท ซึ่งเป็นเซลล์ประสาทที่ประกอบขึ้นเป็นสมองของมนุษย์ และข้อมูลทางประสาทสัมผัสจะถูกส่งผ่านในรูปของสัญญาณไฟฟ้าเคมีขณะที่มันผ่านเซลล์ประสาทและไซแนปส์ เมื่อสัญญาณเดียวกันถูกส่งผ่านซ้ำๆ ประสิทธิภาพของการส่งสัญญาณประสาทที่ไซแนปส์จะลดลงชั่วคราว ส่งผลให้เกิดปรากฏการณ์ที่เรียกว่าความรู้สึกชาด้านประสาทสัมผัส ดังนั้น เป็นไปได้หรือไม่ที่จะเลียนแบบลักษณะเหล่านี้ของไซแนปส์ในคอมพิวเตอร์?
ส่วนประกอบหลักของคอมพิวเตอร์ทั่วไปประกอบด้วยทรานซิสเตอร์จำนวนนับไม่ถ้วน ที่จริงแล้ว เคยมีการวิจัยเพื่อจำลองการทำงานของไซแนปส์ในมนุษย์โดยใช้ทรานซิสเตอร์มาก่อน อย่างไรก็ตาม เป็นที่ทราบกันดีว่าสมองของมนุษย์มีไซแนปส์มากกว่า 100 ล้านล้านไซแนปส์ และการจำลองทั้งหมดด้วยทรานซิสเตอร์นั้นมีข้อจำกัดอย่างมากในแง่ของความหนาแน่นของการรวมวงจรและการใช้พลังงาน เมื่อเครือข่ายประสาทเทียมที่ใช้ทรานซิสเตอร์มีขนาดใหญ่ขึ้น ความต้องการพื้นที่และการใช้พลังงานก็จะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ด้วยเหตุนี้ นักวิจัยจึงหันมาสนใจอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ชนิดใหม่ที่เรียกว่า เมมริสเตอร์ (memristor) ซึ่งสามารถจำลองคุณลักษณะที่คล้ายคลึงกับไซแนปส์ของมนุษย์ได้มากขึ้น
คำว่า “เมมริสเตอร์” (memristor) เป็นคำที่เกิดจากการรวมคำว่า “หน่วยความจำ” (memory) และ “ตัวต้านทาน” (resistor) เข้าด้วยกัน หมายถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ขนาดเล็กมากที่สามารถเก็บรักษาอิทธิพลของกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านในอดีตได้ ในขณะที่ตัวต้านทานทั่วไปจะกำหนดขนาดของกระแสไฟฟ้า แต่ค่าความต้านทานของเมมริสเตอร์จะเปลี่ยนแปลงไปตามปริมาณกระแสไฟฟ้าทั้งหมดที่ไหลผ่าน นอกจากนี้ยังคงรักษาค่าความต้านทานสุดท้ายไว้ได้แม้หลังจากตัดกระแสไฟฟ้าแล้ว คุณลักษณะเหล่านี้ถือเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญ เพราะช่วยให้สามารถจัดเก็บข้อมูลได้โดยไม่ต้องใช้อุปกรณ์หน่วยความจำแยกต่างหาก แม้ว่าทรานซิสเตอร์แบบดั้งเดิมจะสามารถจัดเก็บข้อมูลได้เช่นกัน แต่ก็ต้องใช้วงจรเพิ่มเติม ซึ่งจะเพิ่มขนาดของอุปกรณ์และเพิ่มการใช้พลังงาน ในทางตรงกันข้าม เมมริสเตอร์มีโครงสร้างที่เรียบง่าย ใช้พลังงานน้อย และเหมาะสำหรับการรวมวงจรในระดับสูง ด้วยเหตุนี้ จึงกำลังได้รับการวิจัยในฐานะเทคโนโลยีสำคัญในด้านหน่วยความจำยุคใหม่และการคำนวณแบบนิวโรโมฟิก
แม้ว่าแนวคิดของเมมริสเตอร์จะถูกเสนอครั้งแรกโดยศาสตราจารย์ลีออน โอ. ชัว ในปี 1971 แต่ก็ไม่ได้รับความสนใจมากนักในขณะนั้น เนื่องจากเทคโนโลยีทรานซิสเตอร์กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็ว อย่างไรก็ตาม หลังจากที่นักวิจัยของฮิวเลตต์-แพคการ์ดประสบความสำเร็จในการสร้างเมมริสเตอร์จริงในปี 2008 การวิจัยที่เกี่ยวข้องก็ได้รับแรงผลักดันอย่างมาก และปัจจุบันถือเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีหลักในด้านเซมิคอนดักเตอร์รุ่นใหม่และฮาร์ดแวร์ปัญญาประดิษฐ์
เมมริสเตอร์มีโครงสร้างพื้นฐานเป็นไทเทเนียมออกไซด์ (TiO₂) ที่ประกบอยู่ระหว่างขั้วไฟฟ้าแพลทินัม ไทเทเนียมไดออกไซด์แบ่งออกเป็นสองส่วนที่มีคุณสมบัติแตกต่างกันขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของออกซิเจน ส่วนหนึ่งคือไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO₂) ซึ่งอิ่มตัวด้วยออกซิเจนอย่างสมบูรณ์และออกซิเจนแทบจะไม่เคลื่อนที่ อีกส่วนหนึ่งคือไทเทเนียมไดออกไซด์ (TiO₂-x) ซึ่งมีออกซิเจนหายไปบางส่วน ทำให้ออกซิเจนเคลื่อนที่ได้ค่อนข้างอิสระ เนื่องจากกระแสไฟฟ้าไหลผ่านบริเวณที่มีออกซิเจนหายไปบางส่วนได้ง่ายแม้ในแรงดันไฟฟ้าต่ำ ความต้านทานไฟฟ้าโดยรวมจึงลดลงเมื่อสัดส่วนของบริเวณนี้เพิ่มขึ้น ขั้วไฟฟ้าแพลทินัมถูกวางไว้ด้านบนและด้านล่างของชั้นไทเทเนียมไดออกไซด์เพื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้า
ทีนี้ ลองพิจารณากรณีที่ใช้แรงดันลบกับขั้วไฟฟ้าด้านบน เนื่องจากประจุชนิดเดียวกันจะผลักกัน ไอออนออกซิเจนที่อยู่ใกล้รอยต่อจึงเคลื่อนที่ไปยังบริเวณตรงข้าม ผลที่ได้คือ บริเวณที่เคยอิ่มตัวด้วยออกซิเจนจะกลายเป็นบริเวณที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ง่ายเมื่อออกซิเจนหนีออกไป และบริเวณที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านได้ง่ายก็จะค่อยๆ ขยายตัว ในทางกลับกัน หากใช้แรงดันลบกับขั้วไฟฟ้าด้านล่าง ไอออนออกซิเจนจะเคลื่อนที่กลับไปในทิศทางเดิม ทำให้บริเวณที่มีค่าการนำไฟฟ้าสูงหดตัวลง ในขณะที่บริเวณที่มีออกซิเจนเพียงพอจะขยายตัวอีกครั้ง การเปลี่ยนแปลงเหล่านี้จะดำเนินต่อไปตราบใดที่ยังมีการใช้แรงดันอยู่ ซึ่งแสดงให้เห็นถึงคุณลักษณะแรกของเมมริสเตอร์ นั่นคือ ค่าความต้านทานจะเปลี่ยนแปลงไปตามปริมาณกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน
แล้วทำไมค่าความต้านทานจึงยังคงไม่เปลี่ยนแปลงแม้หลังจากปิดไฟแล้ว? ทรานซิสเตอร์ก็เปลี่ยนสถานะตามแรงดันไฟฟ้าเช่นกัน แต่โดยทั่วไปแล้วจะไม่สามารถรักษาสถานะนั้นไว้ได้เมื่อตัดไฟแล้ว ในทางตรงกันข้าม เนื่องจากโครงสร้างอะตอมภายในไทเทเนียมออกไซด์เองมีการเปลี่ยนแปลงในเมมริสเตอร์ สถานะสุดท้ายจึงยังคงอยู่แม้หลังจากตัดไฟแล้ว
ในบริเวณที่มีออกซิเจนไม่เพียงพอ จะมีไอออนไทเทเนียมอยู่สองชนิด (Ti³⁺, Ti⁴⁺) เมื่อไอออนออกซิเจนเคลื่อนที่ อิเล็กตรอนจะเคลื่อนย้ายระหว่างไอออนไทเทเนียมเพื่อรักษาสมดุลประจุ และในกระบวนการนี้ ไอออน Ti³⁺ บางส่วนจะเปลี่ยนเป็นไอออน Ti⁴⁺ เนื่องจากไอออน Ti⁴⁺ ซึ่งมีประจุบวกมากกว่า จะดึงดูดไอออนออกซิเจนที่มีประจุลบได้แรงกว่า การถ่ายโอนประจุนี้จึงเกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ในที่สุด แม้หลังจากถอดแรงดันไฟฟ้าออกแล้ว การจัดเรียงอะตอมใหม่ก็ยังคงไม่เปลี่ยนแปลง ดังนั้นความต้านทานจึงคงสภาพเดิมไว้เช่นกัน
อธิบายให้เข้าใจง่ายๆ ก็คือ คล้ายกับสถานการณ์ที่คนคนหนึ่งนั่งอยู่บนที่นั่งในรถไฟใต้ดิน และที่นั่งข้างๆ ว่างเปล่า ทุกครั้งที่รถไฟเคลื่อนที่ คนคนนั้นก็จะขยับไปนั่งที่นั่งว่าง แต่จำนวนที่นั่งว่างก็ยังคงเท่าเดิม เช่นเดียวกับที่ตำแหน่งของคนเปลี่ยนไป แต่โครงสร้างโดยรวมของที่นั่งยังคงเหมือนเดิม ในเมมริสเตอร์นั้น มีเพียงการจัดเรียงของไอออนออกซิเจนและอิเล็กตรอนเท่านั้นที่เปลี่ยนแปลงไป ในขณะที่โครงสร้างโดยรวมยังคงอยู่ ทำให้มันสามารถ "จดจำ" สถานะก่อนหน้าได้
นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสังเกตว่าลักษณะเฉพาะนี้คล้ายคลึงกับไซแนปส์ของมนุษย์มาก ในไซแนปส์ ประสิทธิภาพของการส่งสัญญาณประสาทจะเปลี่ยนแปลงไปเมื่อมีการส่งสัญญาณเดียวกันซ้ำๆ ในทำนองเดียวกัน ในเมมริสเตอร์ ค่าความต้านทานจะเปลี่ยนแปลงไปเมื่อกระแสไฟฟ้าไหลซ้ำๆ ด้วยความคล้ายคลึงกันเหล่านี้ เมมริสเตอร์จึงถูกนำมาวิจัยในฐานะส่วนประกอบหลักของการคำนวณแบบนิวโรโมฟิก ซึ่งเลียนแบบสมองของมนุษย์ อันที่จริง นักวิจัยกำลังพัฒนาฮาร์ดแวร์ปัญญาประดิษฐ์ประเภทต่างๆ โดยการผสมผสานเมมริสเตอร์กับวงจร CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) เพื่อเลียนแบบพฤติกรรมของเซลล์ประสาทและไซแนปส์ และงานวิจัยที่เกี่ยวข้องกำลังดำเนินการอยู่
ในอีกไม่กี่ทศวรรษข้างหน้า แม้แต่เครื่องจำหน่ายเครื่องดื่มอัตโนมัติก็อาจติดตั้งปัญญาประดิษฐ์ที่คล้ายกับสมองของมนุษย์ ลองนึกภาพว่าคุณยืนอยู่หน้าเครื่องจำหน่ายเครื่องดื่มอัตโนมัติแล้วกดปุ่ม จากนั้นเครื่องก็สามารถจดจำลายนิ้วมือหรือข้อมูลชีวมาตรอื่นๆ ของคุณได้ และพูดว่า “ฉันรู้ว่าคุณดื่มอะไรเมื่อฤดูร้อนที่แล้ว” คุณอาจตอบกลับไปว่า “งั้นก็เอาแบบเดิมให้ฉันอีก”