2024. március 29. Péntek, Auguszta.
 
Egyre közelebb a mesterséges idegrendszerForrás: index.hu
Utolsó módosítás: 2014-01-03 10:41:57
Magyar tudósok új eredménnyel gazdagították a memrisztorokkal kapcsolatos kutatásokat. A Nanoscale címû szaklapban megjelent tanulmány eredménye, hogy az eddigi kísérletekhez képest nagyságrendekkel kisebb, néhány nanométeres tartományban és sokkal gyorsabban tudtak dolgozni a technológiával, ami a gyakorlatban gyorsabb és könnyebben beépíthetõ memóriákat jelent. A számítástechnikán túl ez a rendszer alapja lehet a mesterséges idegrendszernek is. Ilyesmivel kísérletezik a legnagyobb amerikai katonai kutatási ügynökség, a DARPA is.

A fizikusok már régóta gondolkodnak azon, hogyan tudnánk az idegrendszer mûködését leutánozni: az egyik legizgalmasabb terület ezen belül a szinapszisok mûködése, amelyek gyakorlatilag az idegrendszer kommunikációs csatornái. A kutatók az úgynevezett memrisztorokkal modellezik a mûködésüket. A memrisztorok fizikája elméletben 1971-ben megalapozott, de 2008 óta a gyakorlatban is egyre népszerûbb kutatási terület: az amerikai haditechnikai fejlesztésekkel foglalkozó ügynökség, a DARPA például SyNAPSE (Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics) nevû projektjében egy mesterséges agyon dolgozik: a kutatások titkosak, de annyit biztosan tudni, hogy kísérleteznek ugyanazokkal a megoldásokkal, mint amivel egy magyar kutatócsoport is a BME-n.

 

A memrisztorok megértéséhez tisztában kell lennünk a elektromosság néhány alapfogalmával. Az általános iskolás fizikaóráról mindenkinek ismerõs lehet, hogy az egyszerû áramkörökbe ellenállások (R - resistor) kapcsolhatók. Az iskolában tanult, és egyébkén széles körben alkalmazott ellenállásoknál a rájuk kapcsolt feszültség arányos a rajtuk átfolyó árammal. Az arányossági tényezõ az ellenállás, ami mindig egy konkrét, elõre meghatározott érték. Ezzel szemben a memrisztor olyan ellenállás, aminek sok állapota lehet, attól függõen, hogy mi történt vele korábban.


A HP-nek már van valamije

Az elsõ memrisztoros áramkört Leon Chua villamosmérnök álmodta meg: elméletben kapcsolatot teremtett az elektromos töltés és fluxus (az áramkör erõtere) között. Azóta, 2008-ban a HP vékony titán-dioxid segítségével megalkotta az alkatrészt a gyakorlatban is, aminek definícióját közben kiterjesztették minden, úgynevezett nem felejtõ memóriára. Az újfajta ellenállásoknak ugyanis lényegében egyfajta memóriája van: nem mindegy, hogy korábban mekkora áram, és milyen hosszú ideig folyt rajta keresztül, ezektõl függõen máshogy viselkednek.

A HP 2011 októberében azt is bejelentette, hogy megoldásuk másfél éven belül piacra kerül, és leváltja majd az SSD-ket, a flash-kártyákat, és a mostani memóriákat is. A tömeges elterjedésre még várnunk kell, azonban a potenciál megvan a termékben.

 

Csatornákat építenek

A memrisztorok nagyon sokféle anyagból készülhetnek, ezek közül az egyikkel kísérletezik a BME Fizika Tanszékének kutatócsoportja is: Mihály György, Halbritter András, Geresdi Attila, Csontos Miklós és Gubicza Ágnes. „Szigetelõ ezüst-szulfid vékonyrétegekben építünk ki vezetõcsatornákat. Azt vizsgáljuk, hogy ezek a csatornák milyen átmérõvel rendelkeznek, milyen gyorsan tudnak kialakulni, mennyire stabilak, miközben változtatjuk az ellenállásukat” – tudtuk meg Gubicza Ágnestõl, a tanszék doktorandusz hallgatójától.

 

A memrisztor érdekessége a hagyományos ellenállásokhoz képest, hogy ha két egymástól távoli állapot között váltanak rajtuk, például a majdnem bekapcsolt és a majdnem kikapcsolt között, akkor egyszerre nagyon gyorsan és lassan is változik az ellenállása. Ez kicsit hasonlít ahhoz, ahogy az emberi idegrendszer mûködik, ezért is kísérletezik velük a mesterséges agyak létrehozásához a DARPA. Konkrétan a szinapszisok viselkedését modellezik vele. Az idegrendszert felépítõ neuronok egymással a szinapszisokon keresztül beszélgetnek: ha egy szinapszisnak jó a vezetõképessége, akkor gyorsan továbbítódik az információ. Ha ez a jól vezetõ állapot sokáig fennmarad, akkor megjegyeztük az adott információt: lényegében ez az ember memóriája.

Egy japán kutatócsoportnak a rövid és a hosszú távú memóriát is sikerült egyszerre modelleznie vele: attól függõen, milyen gyakorisággal ismételtek feszültségjeleket, az gyorsan vagy lassan felejtette el a felületre felvitt számokat.

 

Levitték nanóba

A magyar kutatás a már meglévõ kísérleti technológiákhoz azzal tett hozzá, hogy ezt az ezüstre épülõ rendszert a korábbi száz nanométeres nagyságrendrõl 2-3 nanométerre csökkentette. Ráadásul 2-3 nagyságrendet gyorsítottak is az egész folyamaton (kimutatták, hogy a rendszeren gigahertzes kapcsolás is elérhetõ), ami a gyakorlatban könnyebben beépíthetõ és gyorsabb memóriákat jelent majd.

 

A kutatók a szigetelõanyagban (ezüst-szulfid) a vezetõcsatornákat úgynevezett elektrokémiai fémesedéssel építik ki: egy tût érintenek a felülethez, majd elektromos feszültséget kapcsolnak rá, ezzel nanométeres ezüstszálakat húznak keresztül a szigetelõn.

Ez az egész csak akkor mûködik, ha a tût stabilan és nagyon finoman tudják hozzáérinteni a felülethez. A gyakorlatban a tû hegye mindössze néhány atomból áll. Amikor hozzáérnek, az ezüst elektróda atomjai ionizálódnak, az ezüst-szulfidon keresztül elkezdenek platinaelektróda felé áramlani, ahol megkötnek, és az ezüstszállal egyfajta vezetõhidat képeznek, amin már átfolyik az áram.

 

A magyar kutatók ennek az ezüstszálnak a vékonyításával és vastagításával foglalkoznak: azt vizsgálják, hogyan lehet feszültséggel szabályozni a viselkedését. Eredményeik alapján minél nagyobb feszültséget adnak rá, annál nagyobb a változás, sõt ha ugyanazt a feszültséget eltérõ sebességgel adják rá, akkor is eltérõek a változások: az elején gyors, a végén lelassul, de végig változik.

Gubicza szerint ez olyan, mintha egy mézcsurgatót egy csupor mézbe állítanánk, megtekernénk, majd magára hagyva néznénk, hogyan forog: az elején nagyon gyorsan forog, aztán egyre lassabban, végül mikor azt gondolnánk, hogy az egész megáll, mindig látni kis változásokat.


Leváltja a processzort is

A memrisztorok alapvetõen a mostani, tranzisztoralapú memóriák alternatívái lesznek, viszont trükkös kapcsolásokkal úgynevezett logikai kapukat is lehet belõlük építeni: ezek olyan áramkörök, amelyek képesek az alapvetõ logikai mûveletek (és, vagy, nem) elvégzésére, így szinte minden matematikai feladat megoldható velük. Kicsit leegyszerûsítve: tudnak számolni. Pontosan ezt csinálja a mai számítógépekben a processzor.

 

„Fel lehet például úgy építeni a NOR-kaput, hogy a két kiindulási bit és az eredmény is eltárolódik, így ugyanazon a platformon végzed a számítást, mint ahol az eredményt tárolod, lényegében a processzor és a merevlemez egy platform lesz” – mondja Gubicza. A kutató szerint ez a fajta megoldás még gyerekcipõben jár, az elsõ kísérleteket készítették el a kutatócsoportok. Azt pedig nem lehet tudni, pontosan hol tart a technológia, mivel a DARPA projektjében elkészült tanulmányok és az ipari kutatások titkosak.

Hozzászólások
Még nem érkezett hozzászólás ehhez a témához.
Hasonló hírek 
Kedvenc hírek
Ön még nem rakott semmit a kedvencek közé!