طراحی دستگاهی که مانند مغز انسان خاطرات را فراموش می‌کند

مغز پیشرفته‌ترین ماشین محاسباتی است، بنابراین جای تعجبی ندارد که پژوهشگران مشتاق آزمایش و تقلید از آن هستند. در این راستا، پژوهشی جدید گامی جالب برداشته‌اند: دستگاهی که می‌تواند درست مانند مغز انسان خاطرات را فراموش کند.

دستگاه مذکور، یک ممریستور (ترکیبی از حافظه و مقاومت) مرتبه‌ی دوم نامیده می‌شود. طرح هوشمندانه‌ی این دستگاه، از سیناپس‌های موجود در مغز انسان به‌گونه‌ای تقلید می‌کند که اطلاعات را به‌خاطر می‌آورد؛ ولی درصورتی که این اطلاعات به‌مدت طولانی مورد استفاده قرار نگیرند، به‌تدریج محو خواهند شد.

درحال حاضر، ممریستور کاربردهای عملی زیادی ندارد، اما درنهایت می‌تواند به دانشمندان کمک کند نوروکامپیوترهایی را بسازند که برخی از کارکردهای مغز را داشته باشند. در یک نوروکامپیوتر آنالوگ، اجزای الکترونیکی موجود روی تراشه (مثلا ممریستور) می‌تواند نقش نورون‌ها و سیناپس‌ها را داشته باشد. این امر هم می‌تواند مقدار انرژی مورد نیاز کامپیوتر را کاهش دهد و هم موجب افزایش سرعت محاسبات شود.

در حال حاضر، نوروکامپیوترهای آنالوگ فرضی هستند؛ زیرا این موضوع باید مورد بررسی قرار گیرد که الکترونیک چگونه می‌تواند از انعطاف‌پذیری سیناپسی موجود در مغز تقلید کند. در مغز، سیناپس‌های فعال طی زمان تقویت می‌شوند و سیناپس‌های غیرفعال به‌تدریج ضعیف‌تر می‌شوند. دانشمندان تصور می‌کنند که به‌همین دلیل است که ما برخی از خاطرات را حفظ می‌کنیم و برخی دیگر فراموش می‌شوند.

مشکل راه‌حل (ممریستورهای مرتبه اول) مذکور این است که رفتار دستگاه طی زمان تغییر پیدا می‌کند و دستگاه پس از گذشت مدت زمان طولانی درهم می‌شکند. مکانیسمی که ما آن را برای شبیه‌سازی انعطاف‌پذیری سیناپسی به کار بردیم، از استحکام بیشتری برخوردار است. این سیستم پس از ۱۰۰ میلیارد بار تغییر وضعیت همچنان به‌طور نرمال کار می‌کرد بنابراین ما آزمایش استقامت را متوقف کردیم.

پژوهشگران در این مورد، به‌جای پل‌های نانویی از یک ماده‌ی فروالکتریک به نام اکسید هافنیم با یک قطبیت الکتریکی استفاده کردند که در پاسخ به یک میدان الکتریکی خارجی تغییر پیدا می‌کند. این بدان معناست که وضیعت‌های مقاومت بالا و پایین را می‌توان با پالس‌های الکتریکی تنظیم کرد.

سیناپس (سمت چپ) در مقایسه‌ با ممریستور (سمت راست)

چیزی که باعث می‌شود اکسید هافنیم برای این کار مناسب باشد، آن است که ماده درحال حاضر به‌وسیله‌ی شرکت‌هایی مانند اینتل برای ساخت ریزتراشه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. بر این‌ اساس، هنگام ارائه‌ی نوروکامپیوترهای آنالوگ، معرفی ممریستورها آسان‌تر و ارزان‌تر خواهد بود. چوپریک می‌گوید:

اصلی‌ترین چالش رو‌درروی ما، یافتن ضخامت مناسب لایه‌ی فروالکتریک بود. ثابت شد که ضخامت ۴ نانومتر مناسب است. اگر لایه یک نانومتر نازک‌تر شود، ویژگی‌های فروالکتریک آن از بین می‌روند و لایه‌ی ضخیم‌تر نیز مانعی سر راه جریان الکترون‌ها خواهد بود.

فراموشی واقعی ازطریق نقایصی که توسعه‌ی ریزپردازنده‌های مبتنی بر هافنیم را دشوار می‌سازد، عملی می‌شود (نقایصی در خط اتصال بین سیلیکون و اکسید هافنیم). همین نقص‌ها موجب می‌شود که رسانایی ممریستور طی زمان و به‌مرور از بین برود. این شروعی امیدوارکننده است اما هنوز مسیر طولانی پیش‌رو قرار دارد: برای مثال سلول‌های حافظه باید قابل اطمینان‌تر از چیزی که در حال حاضر هستند، باشند. همچنین پژوهشگران می‌خواهند این موضوع را بررسی کنند که چگونه دستگاه جدید آن‌ها می‌تواند با الکترونیک انعطاف‌پذیر تلفیق شود. ویتالی میخف، فیزیکدان MIPT می‌گوید:

ما قصد داریم که تعامل بین مکانیسم‌های مختلف تغییر مقاومت در ممریستور را مورد بررسی قرار دهیم. به‌نظر می‌رسد که اثر فروالکتریک تنها اثر موجود نباشد. برای بهبود بیشتر دستگاه، ما باید بتوانیم بین این مکانیسم‌ها تمایز قائل شویم و ترکیب آن‌ها با هم را یاد بگیریم.

نتایج این پژوهش در مجله‌ی ACS Applied Materials & Interfaces منتشر شده است.