اس بلاگ پوسٹ میں، ہم یادداشتوں کے اصولوں اور خصوصیات کو دریافت کریں گے—الیکٹرانک آلات جو انسانی ہم آہنگی کی نقل کرتے ہیں—اور مصنوعی ذہانت کی ٹیکنالوجی میں ان کی اہمیت۔
جب آپ سب سے پہلے سب وے پر سوار ہوتے ہیں، تو پہیوں کی کڑکتی آواز غیر معمولی طور پر بلند معلوم ہوتی ہے۔ تاہم، جیسے ہی ٹرین ایک کے بعد ایک اسٹیشن سے گزرتی ہے، ایک وقت ایسا آتا ہے جب ہم بمشکل اس آواز کو محسوس کرتے ہیں۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ ایک ہی محرک کے دہرائے جانے پر ہمارے حواس بے حس ہو گئے ہیں۔ اس کے برعکس، مشین کے حواس آسانی سے غیر حساس نہیں ہوتے۔ آئیے ایک مثال کے طور پر مشروبات کی فروخت کرنے والی مشین لیں۔ مشین درست طریقے سے پتہ لگاتی ہے کہ کون سا بٹن دبایا گیا ہے اور پھر متعلقہ مشروب کو تقسیم کرتا ہے۔ اگر یہ عمل دن بھر دہرایا جائے تو بھی مشین اگلے دن بغیر کسی ہچکچاہٹ کے وہی عمل انجام دیتی ہے۔ زیادہ تر مشینوں کے لیے، اس طرح کے دہرائے جانے والے کاموں کے دوران بھی کارکردگی مستقل رہتی ہے۔ تو، کیا ہوگا اگر مشینوں میں انسانوں کی طرح اپنے حواس کو کمزور کرنے کی خصوصیت ہو؟
حسی سستی کا synapses سے گہرا تعلق ہے۔ Synapses نیورونز کے درمیان رابطے ہیں — وہ عصبی خلیات جو انسانی دماغ بناتے ہیں — اور حسی معلومات الیکٹرو کیمیکل سگنلز کی شکل میں منتقل ہوتی ہیں جب یہ نیوران اور Synapses سے گزرتی ہیں۔ جب ایک ہی سگنل کو بار بار منتقل کیا جاتا ہے تو، Synapse میں عصبی ترسیل کی کارکردگی عارضی طور پر کم ہو جاتی ہے، جس کے نتیجے میں ایک ایسا رجحان پیدا ہوتا ہے جسے حسی کمزوری کہا جاتا ہے۔ تو، کیا کمپیوٹر میں Synapses کی ان خصوصیات کی نقل کرنا ممکن ہے؟
روایتی کمپیوٹرز کا بنیادی حصہ ان گنت ٹرانزسٹروں پر مشتمل ہوتا ہے۔ درحقیقت، ٹرانزسٹر کا استعمال کرتے ہوئے انسانی synapses کی نقل کرنے کے لیے پہلے تحقیق کی گئی تھی۔ تاہم، یہ معلوم ہے کہ انسانی دماغ میں 100 ٹریلین سے زیادہ Synapses ہوتے ہیں، اور ان سب کو ٹرانزسٹر کے ساتھ لاگو کرنے میں انضمام کی کثافت اور بجلی کی کھپت کے لحاظ سے اہم حدود کا سامنا کرنا پڑتا ہے۔ جیسے جیسے ٹرانجسٹر پر مبنی نیورل نیٹ ورک بڑے پیمانے پر بڑھتے ہیں، ان کی جگہ کی ضروریات اور بجلی کی کھپت ڈرامائی طور پر بڑھ جاتی ہے۔ اس وجہ سے، محققین اپنی توجہ ایک نئے الیکٹرانک ڈیوائس کی طرف مبذول کر رہے ہیں جسے میمریسٹر کہا جاتا ہے، جو انسانی synapses سے ملتی جلتی خصوصیات کو نافذ کر سکتا ہے۔
اصطلاح "میمریسٹر" "میموری" اور "ریزسٹر" کا ایک پورٹ مینٹو ہے۔ اس سے مراد ایک انتہائی چھوٹے الیکٹرانک ڈیوائس ہے جو ماضی کے موجودہ بہاؤ کے اثر کو برقرار رکھتی ہے۔ جب کہ ایک ریزسٹر عام طور پر کرنٹ کے بہاؤ کی شدت کا تعین کرتا ہے، ایک میمریسٹر کی مزاحمتی قدر اس سے گزرنے والے کرنٹ کی کل مقدار پر منحصر ہوتی ہے۔ موجودہ سپلائی منقطع ہونے کے بعد بھی یہ اپنی آخری مزاحمتی حالت کو برقرار رکھتا ہے۔ ان خصوصیات کو ایک بڑا فائدہ سمجھا جاتا ہے کیونکہ یہ معلومات کو علیحدہ میموری ڈیوائس کی ضرورت کے بغیر ذخیرہ کرنے کی اجازت دیتے ہیں۔ جبکہ روایتی ٹرانزسٹرز معلومات کو بھی ذخیرہ کر سکتے ہیں، انہیں اضافی سرکٹری کی ضرورت ہوتی ہے، جس سے ڈیوائس کا سائز بڑھ جاتا ہے اور بجلی کی کھپت میں اضافہ ہوتا ہے۔ اس کے برعکس، یادداشتوں کا ڈھانچہ سادہ ہوتا ہے، وہ بہت کم طاقت استعمال کرتے ہیں، اور اعلی انضمام کے لیے موزوں ہوتے ہیں۔ نتیجے کے طور پر، ان پر اگلی نسل کی میموری اور نیورومورفک کمپیوٹنگ کے شعبوں میں کلیدی ٹیکنالوجی کے طور پر تحقیق کی جا رہی ہے۔
اگرچہ میمریسٹر کا تصور پہلی بار پروفیسر لیون او چوا نے 1971 میں پیش کیا تھا، لیکن اس وقت اس پر زیادہ توجہ نہیں دی گئی کیونکہ ٹرانزسٹر ٹیکنالوجی تیزی سے آگے بڑھ رہی تھی۔ تاہم، ہیولٹ پیکارڈ کے محققین کی جانب سے 2008 میں ایک حقیقی یادداشت کو کامیابی کے ساتھ نافذ کرنے کے بعد، متعلقہ تحقیق نے نمایاں رفتار حاصل کی، اور اب اسے اگلی نسل کے سیمی کنڈکٹرز اور مصنوعی ذہانت کے ہارڈ ویئر کے شعبوں میں بنیادی ٹیکنالوجی میں سے ایک سمجھا جاتا ہے۔
ایک میمریسٹر بنیادی طور پر ٹائٹینیم آکسائیڈ (TiO₂) کے ساتھ پلاٹینم الیکٹروڈ کے درمیان سینڈویچ کے ساتھ بنایا گیا ہے۔ ٹائٹینیم ڈائی آکسائیڈ کو آکسیجن کی تقسیم کے لحاظ سے مختلف خصوصیات کے ساتھ دو خطوں میں تقسیم کیا گیا ہے۔ ایک خطہ ٹائٹینیم ڈائی آکسائیڈ (TiO₂) ہے، جو آکسیجن سے پوری طرح سیر ہوتا ہے اور جہاں آکسیجن مشکل سے حرکت کرتی ہے۔ دوسرا ٹائٹینیم ڈائی آکسائیڈ (TiO₂-x) ہے، جہاں کچھ آکسیجن غائب ہے، جس سے آکسیجن نسبتاً آزادانہ طور پر حرکت کر سکتی ہے۔ چونکہ کرنٹ اس خطے سے آسانی سے بہتا ہے جہاں کم وولٹیج پر بھی آکسیجن جزوی طور پر ختم ہو جاتی ہے، اس لیے اس خطے کا تناسب بڑھنے کے ساتھ مجموعی برقی مزاحمت کم ہو جاتی ہے۔ وولٹیج لگانے کے لیے پلاٹینم الیکٹروڈ ٹائٹینیم ڈائی آکسائیڈ پرت کے اوپر اور نیچے رکھے جاتے ہیں۔
اب، آئیے اس معاملے پر غور کریں جہاں اوپری الیکٹروڈ پر منفی وولٹیج کا اطلاق ہوتا ہے۔ چونکہ چارجز ایک دوسرے کو پیچھے ہٹاتے ہیں، اس لیے انٹرفیس کے قریب آکسیجن آئن مخالف خطے کی طرف بڑھتے ہیں۔ نتیجے کے طور پر، خطے کا وہ حصہ جو پہلے آکسیجن سے بھرا ہوا تھا ایک ایسا خطہ بن جاتا ہے جہاں آکسیجن کے فرار ہونے کے ساتھ ہی بجلی آسانی سے بہتی ہے، اور وہ خطہ جہاں کرنٹ آسانی سے بہتا ہے آہستہ آہستہ پھیلتا ہے۔ اس کے برعکس، اگر نچلے الیکٹروڈ پر منفی وولٹیج کا اطلاق ہوتا ہے، تو آکسیجن کے آئن اپنی اصل سمت میں واپس چلے جاتے ہیں، جس کی وجہ سے اعلی برقی چالکتا والا خطہ سکڑ جاتا ہے، جب کہ کافی آکسیجن والا خطہ دوبارہ پھیلتا ہے۔ یہ تبدیلیاں اس وقت تک جاری رہتی ہیں جب تک کہ وولٹیج کا اطلاق ہوتا ہے، جو کہ ایک میمریسٹر کی پہلی خصوصیت کو ظاہر کرتا ہے: اس کی مزاحمتی قدر کرنٹ کے بہنے کی مقدار پر منحصر ہوتی ہے۔
تو پھر بجلی بند ہونے کے بعد بھی مزاحمتی قدر کیوں برقرار رہتی ہے؟ ٹرانسسٹر بھی وولٹیج کے لحاظ سے اپنی حالت بدلتے ہیں، لیکن بجلی منقطع ہونے کے بعد وہ عام طور پر اس حالت کو برقرار نہیں رکھ سکتے۔ اس کے برعکس، چونکہ ٹائٹینیم آکسائیڈ کے اندر جوہری انتظام خود ایک میمریسٹر میں تبدیل ہوتا ہے، اس لیے بجلی منقطع ہونے کے بعد بھی حتمی حالت برقرار رہتی ہے۔
ان علاقوں میں جہاں آکسیجن کی جزوی کمی ہے، دو قسم کے ٹائٹینیم آئن (Ti³⁺, Ti⁴⁺) موجود ہیں۔ جب آکسیجن آئن حرکت کرتے ہیں تو، چارج توازن برقرار رکھنے کے لیے الیکٹران ٹائٹینیم آئنوں کے درمیان شفٹ ہو جاتے ہیں، اور اس عمل میں، کچھ Ti³⁺ آئن Ti⁴⁺ آئنوں میں تبدیل ہو جاتے ہیں۔ چونکہ Ti⁴⁺ آئن، جو زیادہ مثبت چارج رکھتے ہیں، منفی چارج شدہ آکسیجن آئنوں کو زیادہ مضبوطی سے اپنی طرف متوجہ کرتے ہیں، اس لیے یہ چارج کی منتقلی قدرتی طور پر ہوتی ہے۔ بالآخر، وولٹیج کو ہٹانے کے بعد بھی، ایٹموں کی نئی ترتیب میں کوئی تبدیلی نہیں ہوتی، اس لیے مزاحمت بھی اپنی آخری حالت کو برقرار رکھتی ہے۔
اسے آسان الفاظ میں ڈالیں تو یہ اس صورتحال سے ملتا جلتا ہے جہاں ایک شخص سب وے سیٹ پر بیٹھا ہو اور اس کے ساتھ والی سیٹ خالی ہو۔ جب بھی ٹرین چلتی ہے، وہ شخص ایک سیٹ کو خالی سیٹ پر منتقل کرتا ہے، لیکن خالی سیٹوں کی تعداد ایک ہی رہتی ہے۔ جس طرح انسان کی پوزیشن بدل جاتی ہے لیکن نشستوں کا مجموعی ڈھانچہ وہی رہتا ہے، ایک یادداشت میں، صرف آکسیجن آئنوں اور الیکٹرانوں کی ترتیب تبدیل ہوتی ہے جب کہ مجموعی ڈھانچہ محفوظ رہتا ہے، جس سے وہ اپنی پچھلی حالت کو "یاد" کر سکتا ہے۔
سائنسدان نوٹ کر رہے ہیں کہ یہ خصوصیت انسانی Synapses سے بہت ملتی جلتی ہے۔ Synapses میں، ایک ہی سگنل کے دہرائے جانے پر عصبی ترسیل کی کارکردگی بدل جاتی ہے۔ اسی طرح، memristors میں، مزاحمتی قدر بدل جاتی ہے جب کرنٹ بار بار بہتا ہے۔ ان مماثلتوں کی وجہ سے، یادداشتوں پر نیورومورفک کمپیوٹنگ کے بنیادی اجزاء کے طور پر تحقیق کی جا رہی ہے، جو انسانی دماغ کی نقل کرتے ہیں۔ درحقیقت، محققین CMOS (کمپلیمنٹری میٹل آکسائیڈ سیمی کنڈکٹر) سرکٹس کے ساتھ یادداشتوں کو ملا کر مختلف قسم کے مصنوعی ذہانت کے ہارڈویئر تیار کر رہے ہیں تاکہ نیوران اور Synapses کے رویے کی نقل کی جا سکے، اور فی الحال متعلقہ تحقیق جاری ہے۔
چند دہائیوں میں، مشروبات کی فروخت کرنے والی مشینیں بھی مصنوعی ذہانت سے لیس ہو سکتی ہیں جو انسانی دماغ سے ملتی جلتی ہیں۔ کسی وینڈنگ مشین کے سامنے کھڑے ہو کر ایک بٹن دبانے کا تصور کریں، صرف مشین آپ کے فنگر پرنٹ یا دیگر بائیو میٹرک معلومات کو پہچان سکے اور کہے، "میں جانتا ہوں کہ آپ نے پچھلی موسم گرما میں کیا پیا تھا۔" آپ صرف جواب دے سکتے ہیں، "پھر مجھے پچھلی بار کی طرح ہی دیں۔"
