Egyre közelebb a mesterséges idegrendszer

A fizikusok már régóta gondolkodnak azon, hogyan tudnánk az idegrendszer működését leutánozni: az egyik legizgalmasabb terület ezen belül a szinapszisok működése, amelyek gyakorlatilag az idegrendszer kommunikációs csatornái. A kutatók az úgynevezett memrisztorokkal modellezik a működésüket. A memrisztorok fizikája elméletben 1971-ben megalapozott, de 2008 óta a gyakorlatban is egyre népszerűbb kutatási terület: az amerikai haditechnikai fejlesztésekkel foglalkozó ügynökség, a DARPA például SyNAPSE (Systems of Neuromorphic Adaptive Plastic Scalable Electronics) nevű 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.

Fotó: Joe Mcnally

A memrisztorok megértéséhez tisztában kell lennünk a elektromosság néhány alapfogalmával. Az általános iskolás fizikaóráról mindenkinek ismerős lehet, hogy az egyszerű 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 tényező az ellenállás, ami mindig egy konkrét, előre meghatározott érték. Ezzel szemben a memrisztor olyan ellenállás, aminek sok állapota lehet, attól függően, hogy mi történt vele korábban.

A HP-nek már van valamije

Az első memrisztoros áramkört Leon Chua villamosmérnök álmodta meg: elméletben kapcsolatot teremtett az elektromos töltés és fluxus (az áramkör erőtere) között. Azóta, 2008-ban a HP vékony titán-dioxid segítségével megalkotta az alkatrészt a gyakorlatban is, aminek definícióját közben kiterjesztették minden, úgynevezett nem felejtő memóriára. Az újfajta ellenállásoknak ugyanis lényegében egyfajta memóriája van: nem mindegy, hogy korábban mekkora áram, és milyen hosszú ideig folyt rajta keresztül, ezektől függően 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. „Szigetelő ezüst-szulfid vékonyrétegekben építünk ki vezetőcsatornákat. Azt vizsgáljuk, hogy ezek a csatornák milyen átmérővel rendelkeznek, milyen gyorsan tudnak kialakulni, mennyire stabilak, miközben változtatjuk az ellenállásukat” – tudtuk meg Gubicza Ágnestől, a tanszék doktorandusz hallgatójától.

Megfelelő feszültséggel a memrisztorok hosszú ideig kirajzolták a képen látható számot

Fotó: T. Ohno, T. Hasegawa, T. Tsuruoka, K. Terabe, J. K. Gimzewski, M. Aono, Nature Materials 2011, 10, 591

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 működik, ezért is kísérletezik velük a mesterséges agyak létrehozásához a DARPA. Konkrétan a szinapszisok viselkedését modellezik vele. Az idegrendszert felépítő neuronok egymással a szinapszisokon keresztül beszélgetnek: ha egy szinapszisnak jó a vezetőképessége, akkor gyorsan továbbítódik az információ. Ha ez a jól vezető 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 függően, milyen gyakorisággal ismételtek feszültségjeleket, az gyorsan vagy lassan felejtette el a felületre felvitt számokat.

Levitték nanóba

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

Ennek a stabilizált műszernek a végén van a nanoméretű tű, amivel a kutatók dolgoznak

A kutatók a szigetelőanyagban (ezüst-szulfid) a vezetőcsatornákat úgynevezett elektrokémiai fémesedéssel építik ki: egy tűt érintenek a felülethez, majd elektromos feszültséget kapcsolnak rá, ezzel nanométeres ezüstszálakat húznak keresztül a szigetelőn.

Ez az egész csak akkor működik, ha a tűt stabilan és nagyon finoman tudják hozzáérinteni a felülethez. A gyakorlatban a tű 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 vezetőhidat képeznek, amin már átfolyik az áram.

Így néz ki közelebbről a nanoméretű tű

Fotó: Gubicza Ágnes

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, sőt ha ugyanazt a feszültséget eltérő sebességgel adják rá, akkor is eltérőek 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 alapvetően a mostani, tranzisztoralapú memóriák alternatívái lesznek, viszont trükkös kapcsolásokkal úgynevezett logikai kapukat is lehet belőlük építeni: ezek olyan áramkörök, amelyek képesek az alapvető logikai műveletek (és, vagy, nem) elvégzésére, így szinte minden matematikai feladat megoldható velük. Kicsit leegyszerűsítve: tudnak számolni. Pontosan ezt csinálja a mai számítógépekben a processzor.

Fotó: Yasuyoshi Chiba

„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 gyerekcipőben jár, az első 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.

5 könyv
Több mint 600 meghökkentő, érdekes és tanulságos történet!

MEGVESZEM

Kövesse az Indexet Facebookon is!

Követem!