Trong bài đăng trên blog này, chúng ta sẽ khám phá các nguyên lý và đặc điểm của memristor – các thiết bị điện tử mô phỏng các khớp thần kinh của con người – và tầm quan trọng của chúng trong công nghệ trí tuệ nhân tạo.
Lần đầu tiên đi tàu điện ngầm, tiếng bánh xe lăn ầm ĩ nghe có vẻ to bất thường. Tuy nhiên, khi tàu đi qua hết ga này đến ga khác, đến một lúc nào đó chúng ta hầu như không còn để ý đến âm thanh đó nữa. Điều này là do các giác quan của chúng ta đã trở nên ít nhạy cảm hơn khi cùng một kích thích được lặp đi lặp lại. Ngược lại, các giác quan của máy móc không dễ bị giảm nhạy cảm. Hãy lấy máy bán nước giải khát tự động làm ví dụ. Máy phát hiện chính xác nút nào đã được nhấn và sau đó phân phối đồ uống tương ứng. Ngay cả khi quá trình này được lặp lại cả ngày, máy vẫn thực hiện hành động tương tự mà không do dự vào ngày hôm sau. Đối với hầu hết các máy móc, hiệu suất vẫn nhất quán ngay cả trong các nhiệm vụ lặp đi lặp lại như vậy. Vậy điều gì sẽ xảy ra nếu máy móc cũng có đặc điểm là các giác quan của chúng bị giảm nhạy cảm, giống như con người?
Hiện tượng giảm nhạy cảm giác có liên quan mật thiết đến các khớp thần kinh. Khớp thần kinh là các kết nối giữa các tế bào thần kinh – những tế bào cấu thành nên não bộ con người – và thông tin cảm giác được truyền tải dưới dạng tín hiệu điện hóa khi đi qua các tế bào thần kinh và khớp thần kinh. Khi cùng một tín hiệu được truyền đi nhiều lần, hiệu quả truyền dẫn thần kinh tại khớp thần kinh tạm thời giảm xuống, dẫn đến hiện tượng được gọi là giảm nhạy cảm giác. Vậy, liệu có thể mô phỏng những đặc điểm này của khớp thần kinh trong máy tính hay không?
Cấu trúc cốt lõi của máy tính thông thường bao gồm vô số bóng bán dẫn. Trên thực tế, trước đây đã có nghiên cứu mô phỏng các khớp thần kinh của con người bằng cách sử dụng bóng bán dẫn. Tuy nhiên, người ta biết rằng não người chứa hơn 100 nghìn tỷ khớp thần kinh, và việc triển khai tất cả chúng bằng bóng bán dẫn gặp phải những hạn chế đáng kể về mật độ tích hợp và mức tiêu thụ điện năng. Khi mạng lưới thần kinh dựa trên bóng bán dẫn phát triển về quy mô, yêu cầu về không gian và mức tiêu thụ điện năng của chúng tăng lên đáng kể. Vì lý do này, các nhà nghiên cứu đang chuyển sự chú ý sang một thiết bị điện tử mới gọi là memristor, có thể mô phỏng các đặc tính tương tự hơn với các khớp thần kinh của con người.
Thuật ngữ “memristor” là sự kết hợp giữa “memory” (bộ nhớ) và “resistor” (điện trở); nó dùng để chỉ một thiết bị điện tử siêu nhỏ lưu giữ ảnh hưởng của dòng điện đã chảy qua. Trong khi điện trở thường xác định cường độ dòng điện, giá trị điện trở của memristor thay đổi tùy thuộc vào tổng lượng dòng điện đã chảy qua nó. Nó cũng giữ nguyên trạng thái điện trở cuối cùng ngay cả sau khi nguồn điện bị ngắt. Những đặc điểm này được coi là một lợi thế lớn vì chúng cho phép lưu trữ thông tin mà không cần thiết bị bộ nhớ riêng biệt. Mặc dù các transistor thông thường cũng có thể lưu trữ thông tin, nhưng chúng yêu cầu mạch bổ sung, làm tăng kích thước thiết bị và tăng mức tiêu thụ điện năng. Ngược lại, memristor có cấu trúc đơn giản, tiêu thụ ít điện năng và rất phù hợp cho việc tích hợp cao; do đó, chúng đang được nghiên cứu như một công nghệ chủ chốt trong lĩnh vực bộ nhớ thế hệ tiếp theo và điện toán thần kinh.
Mặc dù khái niệm về memristor lần đầu tiên được Giáo sư Leon O. Chua đề xuất vào năm 1971, nhưng nó không nhận được nhiều sự chú ý vào thời điểm đó vì công nghệ transistor đang phát triển nhanh chóng. Tuy nhiên, sau khi các nhà nghiên cứu tại Hewlett-Packard chế tạo thành công một memristor thực sự vào năm 2008, các nghiên cứu liên quan đã đạt được động lực đáng kể, và hiện nay nó được coi là một trong những công nghệ cốt lõi trong lĩnh vực bán dẫn thế hệ tiếp theo và phần cứng trí tuệ nhân tạo.
Về cơ bản, memristor được cấu tạo bởi oxit titan (TiO₂) kẹp giữa hai điện cực bạch kim. Oxit titan được chia thành hai vùng có tính chất khác nhau tùy thuộc vào sự phân bố oxy. Một vùng là oxit titan (TiO₂), bão hòa hoàn toàn với oxy và oxy hầu như không di chuyển; vùng còn lại là oxit titan (TiO₂-x), nơi thiếu một lượng oxy nhất định, cho phép oxy di chuyển tương đối tự do. Vì dòng điện dễ dàng chảy qua vùng thiếu oxy một phần ngay cả ở điện áp thấp, nên điện trở tổng thể giảm khi tỷ lệ của vùng này tăng lên. Các điện cực bạch kim được đặt phía trên và phía dưới lớp oxit titan để cấp điện áp.
Bây giờ, hãy xem xét trường hợp khi một điện áp âm được đặt vào điện cực trên. Vì các điện tích cùng dấu đẩy nhau, các ion oxy gần giao diện di chuyển về phía vùng đối diện. Kết quả là, một phần của vùng trước đây bão hòa oxy trở thành vùng mà dòng điện dễ dàng chảy qua khi oxy thoát ra, và vùng mà dòng điện dễ dàng chảy qua dần dần mở rộng. Ngược lại, nếu một điện áp âm được đặt vào điện cực dưới, các ion oxy sẽ di chuyển trở lại hướng ban đầu, khiến vùng có độ dẫn điện cao bị thu hẹp, trong khi vùng có đủ oxy lại mở rộng. Những thay đổi này tiếp tục diễn ra miễn là điện áp được đặt vào, chứng minh đặc tính đầu tiên của memristor: giá trị điện trở của nó thay đổi tùy thuộc vào lượng dòng điện chạy qua.
Vậy tại sao giá trị điện trở vẫn không thay đổi ngay cả sau khi tắt nguồn? Transistor cũng thay đổi trạng thái tùy thuộc vào điện áp, nhưng nhìn chung chúng không thể duy trì trạng thái đó sau khi ngắt nguồn. Ngược lại, vì cấu trúc nguyên tử bên trong oxit titan tự thay đổi trong memristor, nên trạng thái cuối cùng được giữ nguyên ngay cả sau khi ngắt nguồn.
Ở những vùng thiếu oxy một phần, tồn tại hai loại ion titan (Ti³⁺, Ti⁴⁺). Khi các ion oxy di chuyển, các electron dịch chuyển giữa các ion titan để duy trì sự cân bằng điện tích, và trong quá trình này, một số ion Ti³⁺ được chuyển đổi thành ion Ti⁴⁺. Vì các ion Ti⁴⁺, mang điện tích dương lớn hơn, hút các ion oxy mang điện tích âm mạnh hơn, nên sự chuyển dịch điện tích này diễn ra một cách tự nhiên. Cuối cùng, ngay cả sau khi ngắt điện áp, sự sắp xếp mới của các nguyên tử vẫn không thay đổi, do đó điện trở cũng duy trì trạng thái cuối cùng của nó.
Nói một cách đơn giản, điều này tương tự như trường hợp một người đang ngồi trên tàu điện ngầm và ghế bên cạnh trống. Mỗi khi tàu chuyển động, người đó dịch chuyển sang ghế trống, nhưng số ghế trống vẫn là một. Cũng giống như vị trí của người đó thay đổi nhưng cấu trúc tổng thể của các ghế vẫn giữ nguyên, trong một memristor, chỉ có sự sắp xếp của các ion oxy và electron thay đổi trong khi cấu trúc tổng thể được bảo toàn, cho phép nó "ghi nhớ" trạng thái trước đó.
Các nhà khoa học nhận thấy đặc điểm này rất giống với đặc điểm của các khớp thần kinh ở người. Trong các khớp thần kinh, hiệu quả truyền dẫn thần kinh thay đổi khi cùng một tín hiệu được lặp lại; tương tự, trong các điện trở nhớ (memristor), giá trị điện trở thay đổi khi dòng điện chảy lặp đi lặp lại. Do những điểm tương đồng này, các điện trở nhớ đang được nghiên cứu như là các thành phần cốt lõi của điện toán thần kinh mô phỏng, bắt chước bộ não con người. Trên thực tế, các nhà nghiên cứu đang phát triển nhiều loại phần cứng trí tuệ nhân tạo bằng cách kết hợp các điện trở nhớ với mạch CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) để mô phỏng hành vi của các tế bào thần kinh và khớp thần kinh, và các nghiên cứu liên quan hiện đang được tiến hành.
Trong vài thập kỷ nữa, ngay cả máy bán đồ uống tự động cũng có thể được trang bị trí tuệ nhân tạo giống với bộ não con người. Hãy tưởng tượng bạn đang đứng trước một máy bán hàng tự động và nhấn một nút, máy sẽ nhận ra dấu vân tay hoặc thông tin sinh trắc học khác của bạn và nói, “Tôi biết bạn đã uống loại đồ uống nào vào mùa hè năm ngoái.” Bạn có thể chỉ cần trả lời, “Vậy thì hãy cho tôi loại đồ uống giống như lần trước.”
