У цій публікації блогу ми розглянемо принципи та характеристики мемристорів — електронних пристроїв, що імітують людські синапси, — а також їхнє значення в технології штучного інтелекту.
Коли ви вперше їдете в метро, стукіт коліс здається надзвичайно гучним. Однак, коли поїзд проїжджає одну станцію за іншою, настає момент, коли ми майже не помічаємо цього звуку. Це тому, що наші органи чуття втрачають чутливість, оскільки той самий стимул повторюється. Натомість органи чуття машини не так легко втрачають чутливість. Візьмемо, наприклад, автомат з продажу напоїв. Автомат точно визначає, яка кнопка була натиснута, а потім видає відповідний напій. Навіть якщо цей процес повторюється цілий день, автомат без вагань виконує ту саму дію наступного дня. Для більшості машин продуктивність залишається незмінною навіть під час виконання таких повторюваних завдань. То що, якби машини мали характеристику притуплення своїх органів чуття, як і люди?
Сенсорна тупість тісно пов'язана з синапсами. Синапси – це зв'язки між нейронами – нервовими клітинами, що складають людський мозок, – і сенсорна інформація передається у вигляді електрохімічних сигналів, коли вона проходить через нейрони та синапси. Коли один і той самий сигнал передається багаторазово, ефективність нейронної передачі в синапсі тимчасово знижується, що призводить до явища, відомого як сенсорна тупість. Тож чи можливо імітувати ці характеристики синапсів у комп'ютерах?
Ядро звичайних комп'ютерів складається з незліченної кількості транзисторів. Фактично, раніше проводилися дослідження з імітації людських синапсів за допомогою транзисторів. Однак відомо, що людський мозок містить понад 100 трильйонів синапсів, і реалізація всіх їх за допомогою транзисторів стикається зі значними обмеженнями щодо щільності інтеграції та енергоспоживання. Зі зростанням масштабу нейронних мереж на основі транзисторів їхні вимоги до простору та енергоспоживання різко зростають. З цієї причини дослідники звертають свою увагу на новий електронний пристрій під назвою мемристор, який може реалізувати характеристики, більш схожі на характеристики людських синапсів.
Термін «мемристор» – це поєднання слів «пам'ять» та «резистор»; він стосується надмалого електронного пристрою, який зберігає вплив минулого протікання струму. Хоча резистор зазвичай визначає величину протікання струму, значення опору мемристора змінюється залежно від загальної кількості струму, що пройшов через нього. Він також зберігає свій останній стан опору навіть після припинення подачі струму. Ці характеристики вважаються великою перевагою, оскільки вони дозволяють зберігати інформацію без потреби в окремому пристрої пам'яті. Хоча звичайні транзистори також можуть зберігати інформацію, вони вимагають додаткової схеми, що збільшує розмір пристрою та підвищує споживання енергії. На противагу цьому, мемристори мають просту структуру, споживають мало енергії та добре підходять для високої інтеграції; в результаті вони досліджуються як ключова технологія в галузі пам'яті наступного покоління та нейроморфних обчислень.
Хоча концепцію мемристора вперше запропонував професор Леон О. Чуа у 1971 році, вона не отримала значної уваги в той час, оскільки транзисторна технологія швидко розвивалася. Однак після того, як дослідники з Hewlett-Packard успішно впровадили справжній мемристор у 2008 році, відповідні дослідження набули значного імпульсу, і зараз він вважається однією з основних технологій у галузі напівпровідників наступного покоління та апаратного забезпечення штучного інтелекту.
Мемристор принципово структурований з оксиду титану (TiO₂), розміщеного між платиновими електродами. Діоксид титану розділений на дві області з різними властивостями залежно від розподілу кисню. Одна область - це діоксид титану (TiO₂), який повністю насичений киснем і де кисень майже не рухається; інша - це діоксид титану (TiO₂-x), де відсутня деяка кількість кисню, що дозволяє кисню рухатися відносно вільно. Оскільки струм легко протікає через область, де кисень частково виснажений навіть при низькій напрузі, загальний електричний опір зменшується зі збільшенням частки цієї області. Платинові електроди розміщуються над і під шаром діоксиду титану для подачі напруги.
Тепер розглянемо випадок, коли до верхнього електрода прикладена негативна напруга. Оскільки однойменні заряди відштовхуються, іони кисню поблизу межі розділу рухаються до протилежної області. В результаті частина області, яка раніше була насичена киснем, стає областю, де електрика легко протікає, оскільки кисень виходить, а область, де струм легко протікає, поступово розширюється. І навпаки, якщо до нижнього електрода прикладена негативна напруга, іони кисню рухаються назад у своєму початковому напрямку, що призводить до стиснення області з високою електропровідністю, тоді як область з достатньою кількістю кисню знову розширюється. Ці зміни тривають доти, доки прикладена напруга, демонструючи першу характеристику мемристора: значення його опору змінюється залежно від величини струму, що протікає.
То чому ж значення опору залишається незмінним навіть після вимкнення живлення? Транзистори також змінюють свій стан залежно від напруги, але вони зазвичай не можуть підтримувати цей стан після відключення живлення. Натомість, оскільки в мемристорі змінюється розташування атомів всередині самого оксиду титану, кінцевий стан зберігається навіть після відключення живлення.
У регіонах з частковим дефіцитом кисню існують два типи іонів титану (Ti³⁺, Ti⁴⁺). Коли іони кисню рухаються, електрони зміщуються між іонами титану для підтримки балансу заряду, і в процесі деякі іони Ti³⁺ перетворюються на іони Ti⁴⁺. Оскільки іони Ti⁴⁺, які несуть більший позитивний заряд, сильніше притягують негативно заряджені іони кисню, цей перенос заряду відбувається природним чином. Зрештою, навіть після зняття напруги нове розташування атомів залишається незмінним, тому опір також зберігає свій кінцевий стан.
Простіше кажучи, це схоже на ситуацію, коли одна людина сидить на місці в метро, а поруч із нею вільне місце. Щоразу, коли поїзд рухається, людина пересідає на одне вільне місце, але кількість вільних місць залишається незмінною. Так само, як змінюється положення людини, але загальна структура сидінь залишається незмінною, у мемристорі змінюється лише розташування іонів кисню та електронів, тоді як загальна структура зберігається, що дозволяє йому «запам’ятати» свій попередній стан.
Вчені зазначають, що ця характеристика дуже схожа на характеристику людських синапсів. У синапсах ефективність нейронної передачі змінюється при повторенні одного й того ж сигналу; аналогічно, в мемристорах значення опору змінюється при багаторазовому протіканні струму. Через цю подібність мемристори досліджуються як основні компоненти нейроморфних обчислень, які імітують людський мозок. Фактично, дослідники розробляють різні типи апаратного забезпечення штучного інтелекту, поєднуючи мемристори з CMOS (комплементарними металоксид-напівпровідниковими) схемами для імітації поведінки нейронів і синапсів, і відповідні дослідження зараз тривають.
Через кілька десятиліть навіть торговельні автомати з напоями можуть бути оснащені штучним інтелектом, що нагадує людський мозок. Уявіть, що ви стоїте перед торговельним автоматом і натискаєте кнопку, а потім автомат розпізнає ваш відбиток пальця або іншу біометричну інформацію та каже: «Я знаю, який напій ви пили минулого літа». Ви можете просто відповісти: «Тоді дайте мені такий самий, як минулого разу».
