سخنرانی هنری مارکرام در تد

هنری مارکرام در کنفرانس تد از آینده و نتایج پروژه بلوبرین(شبیه سازی مغز انسان، نورون به نورون توسط ابر رایانه بلوژن) می گوید: اگر ما موفق شویم ۱۰ سال دیگر مغز مصنوعی را برای سخنرانی به تد خواهیم فرستاد.

در اینجا خلاصه ای از متن سخنرانی، و در اینجا ویدئوی سخنرانی او را می بینید.

ممریستور، تراشه ای که نوید تحولی بزرگ را می دهد

توضیح عکس: این عکس توسط میکروسکوپ اتمی از مدار ساده ای

 شامل 17 ممریستورگرفته شده پهنای هر خط در این عکس 50 نانومتر ( حدود 150 اتم) است

 

سی و هشت سال پیش لئون چوا، مهندس الکترونیک جوان دانشگاه برکلی؛ شروع به حل معادلاتی کرد که سرانجام آن پیش بینی تراشه ای بود که علم الکترونیک را متحول می کرد. او همانند کار مندلیف در مورد عناصر شیمیایی به دسته بندی روابط بین کمیتهای اصلی مدارهای الکتریکی پرداخت. طبق قوانین ریاضی این چهار کمیت یعنی بار الکتریکی، جریان، میدان مغناطیسی و ولتاژ می توانند به شش طریق با هم ارتباط برقرار کنند: ارتباط جریان و بار، شار و جریان، شار و ولتاژ به تعاریف پایه ای الکترونیک بر می گردد و مقاومت ، خازن و القاگر دو ارتباط دیگر را بر قرار می کنند. تا اینجا پنج روش برقراری ارتباط بین کمیتهای اصلی را برشمردیم. یک ارتباط فراموش شده، رابطه ی بین بار الکتریکی و شار مغناطیسی؛ رابطه ای که چوا را مدتها به خود مشغول کرد. او اثبات کرد با ترکیب مقاومت ، خازن و القاگر نمی توان به ابزاری با این قابلیت دست یافت. این ابزار بنیادین که در ذهن چوا متولد شده بود ممریستور؛ ترکیب مموری و رسیستور(حافظه مقاومت دار) نام گرفت. ابزاری شبیه به مقاومت با توانایی یاد آوری جریان های عبوری قبلی.

اگر مقاومت را همچون لوله آب و آب را بار الکتریکی در نظر بگیریم. میزان مقاومت با قطر لوله نسبت عکس خواهد داشت. تا کنون مقاومت ها، قطر لوله ثابتی داشته اند اما ممریستور مانند لوله ای است که قطرش با میزان و جهت جریان تغییر می کند اگر جریان در جهت موافق باشد قطر لوله بیشتر و اگر در جهت مخالف باشد قطر لوله کمتر می شود همچنین اگر جریان قطع شود، قطر لوله تا برقراری مجدد جریان ثابت می ماند.

این ویژگی های منحصر به فرد سبب شده، ساخت ممریستور نوید تحولی بزرگتر از تحول اختراع ترانزیستور در قرن بیستم را بدهد.

توضیح عکس: جریان گذرنده از ممریستور با توجه به جهت جریان ورودی تنظیم می شود.

 قانون مور به کوچک شدن تراشه ها و افزایش قدرت پردازش در حجمی مشخص اشاره می کند اما این کوچک شدن تا کجا پیش خواهد رفت، ساخت مدارهایی که از ممریستور استفاده می کنند باعث می شود به جای کم کردن حجم، کارایی افزایش یابد.  پیش بینی می شود بعد از به کارگیری مدارهایی که از ممریستور استفاده می کنند، کامپیوترهایی با مصرف برق بسیار کم ساخته شود و RAM هایی به وجود آیند که با قطع برق، اطلاعات در آنها باقی می ماند و دیگر لازم نباشد در هنگام روشن شدن کامپیوتر زمانی را برای boot-up  صرف کنیم و بتوان کامپیوتر را مانند لامپ روشن و خاموش کرد. ساخت حافظه هایی که 1000 بار سریعتر از دیسکهای مغناطیسی کنونی و با مصرف برق کمتر کار می کنند نیز از مزیت های استفاده از ممریستور است. اما مهمترین کاربرد ممریستور توانایی ساخت کامپیوترهایی است که به صورت آنالوگ کار کنند، کامپیوترهایی که همچون مغز انسان پردازش خواهند کرد. در صورت موفقیت، کارهایی که توسط کامپیوترهای دیجیتال به سختی انجام می گیرد مانند پردازش چهره، یادگیری، تصمیم گیری بر اساس تجربیات و ... سریع و آسان انجام خواهد شد.

HP امیدوار است شبکه های عصبی، مشابه مغز بسازد که اجرای برنامه بر روی آنها هزاران یا شاید میلیونها بار کارا تر از کامپیوترهای دیجیتال باشد. سرپرست گروه تحقیقاتی HP می گوید: مردم معمولا این نوع شبکه ها را با شبکه های عصبی کنونی اشتباه می گیرند، هدف ما تغییر معماری هوش مصنوعی است. نه ساخت نرم افزارهایی که روی سخت افزارهای پردازشی اجرا می شوند.

چوا معتقد است علت ناکامی در ساخت هوش مصنوعی، نبود ممریستور بوده است، اکنون که این عنصر در اختیار دانشمندان قرار می گیرد دوره ی جدید هوش مصنوعی آغاز خواهد شد.

در هر سانتی متر مربع از قشر مغز 10¹⁰ سیناپس وجود دارد، در حالی که فشردگی قطعات پردازنده های امروزی 10 برابر کمتر از این مقدار است. به عقیده گرگ؛ یکی از دانشمندان HP، همین امر باعث شده تا کنون نتوانیم ماشین های هوشمند را در زندگی روزمره ببینیم. هم اکنون با استفاده از ممریستور دانشمندان اولین قدمهای انتقال رفتارهای عصبی به سیستمهای الکترونیکی را برادشته اند و با استفاده از تراشه های ترکیبی در راستای ساخت شبیه سازی تفکر انسان گام نهاده اند. اما ساخت مغز الکترونیک به زمان بیشتری نیاز دارد این تراشه بیش از حد هوشمند است، خروجی آن به جای یک پالس دیجیتالی، آنالوگ است و این باعث سردرگمی نرم افزارهای آزمایش تراشه ها می شود و مشکلات زیادی را در راه ساخت مغز الکترونیکی به وجود آورده است.

                            

اما برگردیم به ساخت ممریستور، تئوری ممریستور سی و هشت سال تنها در ذهن دانشمندان گذر می کرد تا اینکه سال گذشته آر استنلی ویلیامز و گروه او در آزمایشگاه  HP با نشان دادن نمونه ای سحر آمیز از این ابزار جامعه الکترونیک را شگفت زده کردند. البته قبل از آن نیز کسانی چون تتسوسایسوگا و همکارانش در دانشگاه Hokkkaido ژاپن مکانیسم مشابه رفتار ممریستور را در موجودی تک سلولی یافته  بودند حتی چوا نیز در مقاله خود به سیناپس ها و عملکرد ممریستور مانند آنها اشاره کرده بود چوا می گوید: در آن زمان متوجه شدم سیناپسها در واقع ممریستور هستند کانالهای یونی همان جزء گمشده مدارهای الکتریکی است که من در جست و جوی آن بودم.

توضیح عکس: سرعت حرکت این موجود تک سلولی که بر روی بادام زندگی می کند به دمای محیط وابسته است. دانشمندان ژاپنی ابتدا این موجود تک سلولی را به مدت 10 دقیقه در هوای گرم و سپس 10 دقیقه در هوای سرد قرار دادند و این کار را چندین بار تکرار کردند و در آخر وقتی دما پایین بود، دما را ثابت نگه داشتند ولی سرعت حرکت این تک سلولی ثابت نماند پس از 10 دقیقه سرعت حرکت آن همانند وقتی شد که در هوای گرم قرار می گرفت این تک سلولی از مکانیسم پیش بینی پیچیده ای استفاده می کند. مکانیسمی همانند آنچه که در ممریستور اتفاق می افتد.

 

هر چند که طبیعت، ممریستور را از سالهای پیش به کار گرفته است اما ساخت مصنوعی این تراشه کار دشواری بود  که ویلیامز و گروه او پس از تلاش بسیار از پس آن بر آمدند ویلیامز می گوید: ما در HP مشغول به ساخت سوییچهای سریع و کم مصرف با اسفاده از دو مقاومت کوچک بودیم. تصمیم گرفتیم به مقیاس مولکولی برویم، اما نتایج کاملا نا امید کننده بود: نسبت مقاومت حالت خاموش و روشن بیشتر از 1000 برابر گزارش می شد، قطعه سریعتر از آن سویچ می کرد که ما بتوانیم زمان سویچ کردن را اندازه بگیریم هیچ مدل فیزیکی توجیه کننده رفتار عجیب این قطعات نبود، شش سال مولکولهای مختلف را بررسی می کردیم، وسیله ای ساخته بودیم که کار می کرد اما نمی دانستیم چرا. به همین دلیل نمی توانستیم  آن را مدل سازی و مهندسی کنیم. خسته و نا امید شده بودیم تا سال 2002 وضع به همین صورت ادامه داشت تا اینکه یکی از همکارانم مقاله ممریستور چوا را برایم آورد نمی دانم او این مقاله را چطور پیدا کرده بود، افراد کمی به این مقاله را خوانده اند و همین طور تعداد کمی به آن ارجاع داده اند. در آن زمان این مقاله 31 ساله بود و کم کم داشت به زباله دانی تاریخ روانه می شد. دلم می خواهد اکنون می توانستم بگویم در آن زمان نگاهی به مقاله انداختم و گفتم یافتم اما حقیقت این است که این مقاله، ماه ها روی میز من ماند، تا اینکه بالاخره شروع به خواندن آن کردم مفاهیم و معادله ها ناآشنا و پی گیریشان برای من دشوار بود اما به مطالعه اش ادامه دادم در این مقاله نموداری وجود داشت که چشمم را گرفته بود این نمودار دقیقا داده های تجربی ما را نشان می داد. در نهایت بعد از 4 سال کار مداوم توانستیم آن چه را که می دیدیم و از توصیفش عاجز بودیم مدل کنیم و از نظریه چوا برای اضافه کردن قطعات جدید به مدارمان استفاده کنیم. در نهایت کارمان جواب داد. قطعه هایی ساختیم که نه تنها کار می کردند بلکه ویژگی های آنها را به دلخواه تغییر می دادیم.

ساختن ممریستور آسان بود. دی اکسید تیتانیوم لازم داشت، ماده ای که در هر کارخانه ای که قطعات نیم رسانا می سازد وجود دارد. ما از کارخانه ساخت کارتریج های جوهر افشان HP کمک گرفتیم. در واقع محدودیت اصلی در تولید تراشه های شامل ممریستور، تعداد کم افراد آشنا به طراحی مدارهای دارای ممریستور است.

 حدس من آن است که  ممریستور های کاربردی  توسط دانشجوی کنجکاوی ساخته خواهد شد که اکنون در این فکر است که سال آینده کدام درسهای منهدسی برق را بردارد. من معتقدم به همان اندازه که ترانزیستور طراحی مدارها را در قرن بیستم از بنیاد متحول کرد  ممریستور این کار را در قرن بیست و یکم انجام خواهد داد.

---

منابع:

۱- ماهنامه شبکه- شماره صد و سه- شهریور 1388

۲- HP lab

۳- wired.com

۴- spectrum

۵- new scietists