محبوبه عمیدی: چیزی از قلم افتاده! تاکنون برایتان پیش آمده چنین احساسی داشته باشید؟
مندلیوف 150 سال پیش، زمانی که داشت به چهار خانه خالی جدول تناوبی‌اش نگاه می‌کرد، چنین احساسی داشت. حق هم با او بود، چهار عنصر اسکاندیم، گالیم، تکنسیم و ژرمانیم بعدها، خانه‌های خالی جدول را پر کردند. پل دیراک هم درست 60 سال بعد، زمانی که غرق در معادلات مکانیک کوانتوم بود، به این نتیجه رسید که جای چیزی در این معادلات خالی است. جای یک پادماده ای بسیار شبیه به الکترون، اما با خواصی قرینه الکترون. این ذره هم بعدها شناخته شد و پوزیترون نام گرفت.
40
سال بعد، یک مهندس الکترونیک جوان که علاقه وافری به ریاضیات داشت، در دانشگاه کالیفرنیا در برکلی به دنبال معادلات پیچیده ریاضی در علم الکترونیک می‌گشت. این بار نوبت لئون چوا بود که حلقه گم‌شده را جستجو کند. معادلات ریاضی او ثابت می‌کردند در کنار عناصر اصلی مقاومت، خازن و القا باید عنصر مداری چهارمی وجود داشته باشد، عنصری که آن زمان جایی در دنیای علم نداشت و چوا در کمال ناامیدی آن‌را مقاومت حافظه یا ممریستور نامید.
به گزارش نیوساینتیست، در سال‌های اخیر، معمای ممریستور یا همان حافظه انعطاف‌پذیر از مسئله‌ای گنگ به یکی از مهم‌ترین خواص در فیزیک تبدیل شده است. استفاده از توانایی بی‌مانند ممریستور، می‌تواند آن‌را به انقلابی در صنعت ابزارهای الکترونیک تبدیل کند و از سوی دیگر این امید را به وجود بیاورد که یافتن این حلقه مفقوده به کشف رمز قدرتمندترین و حساس‌ترین دستگاه محاسباتی جهان، یعنی مغز انسان ختم شود.
باید منتظر پایان خوش داستانی باشیم که با منطق مطلق آغاز شده است. سال 1971 / 1350، چوا به بررسی چهار عنصر اساسی تشکیل‌دهنده مدارهای الکترونیکی پرداخت. ریاضیات می‌گوید چهار المان که در ارتباط متقابل هستند، می‌توانند به شش شکل مختلف دو به دو مرتبط باشند. ارتباط میان بار الکتریکی و شدت‌جریان، شار مغناطیسی و ولتاژ، کاملا مشخص است. مقاومت ابزاری است که با مقابله در برابر شدت جریان ولتاژ را ایجاد می‌کند. برای ولتاژی معین، خازن مقداری بار الکتریکی ذخیره خواهد کرد و با گذشت جریان از یک سیم‌پیچ، شار مغناطیسی به وجود می‌آید. بار الکتریکی و شار مغناطیسی را نیز باید ابزاری به هم مرتبط کند، مقاومتی که بتواند جریان‌هایی را که قبلا از آن گذشته‌اند، به یاد بیاورد. اما این ابزاری که اصلا وجود خارجی ندارد!
نزدیک به ده سال پیش، استن ویلیامز و همکارانش در آزمایشگاه شرکت هاولت-پاکارد، (اچ.پی) تلاش برای ساخت کلیدی را آغاز کردند که بتواند به سرعت و با مصرف اندک انرژی، جریان را قطع و وصل کند. آنها از دو ورقه بسیار نازک دی‌اکسید تیتانیوم به عنوان مقاومت استفاده کردند. نتیجه رضایت‌بخش بود، اما امکان تعریف مدل متعارفی برای قطع و وصل وجود نداشت.
فقط در ابعاد نانو
آزمایش‌ها پس از سه سال نیمه‌تمام مانده بود تا اینکه گروه به شباهت میان معادله چوا و این آزمایش پی برد، اینجا بود که به گفته ویلیامز: «همه قطعه‌ها سر جایشان قرار گرفتند».
دی‌اکسید تیتانیوم خالص با واحدهای تکراری یک اتم تیتانیوم و دو اتم اکسیژن؛ یک نیمه‌رسانا است که با حرارت حاصل از جریان، تعدادی از اکسیژن‌ها را از دست می‌دهد و مانند یک رسانا عمل می‌کند. در کلید ساخت ویلیامز، مقاومت بالایی از نیمه‌رسانای خالص ساختهشده بود و مقاومت پایینی از فلز دارای تعداد کمتری اکسیژن ایجاد شده بود. ولتاژ باعث می‌شد حباب‌های باردار از فلز به سمت بالا حرکت و با کاهش مقاومت نیمه‌رسانا، آن‌را به رسانایی تمام‌عیار تبدیل کنند. زمانی که ولتاژ از سوی دیگر اعمال می‌شد، گردش دورانی آغاز می‌گشت: حباب‌های باردار به لایه پایینی برمی‌گشتند و لایه بالایی مجددا با افزایش مقاومتش به حالت نیمه‌رسانا باز‌می‌گشت.
هر زمان توان حذف می‌شد، جریان از حرکت می‌ایستاد و مقاومت صفر می‌شد. نکته اینجا بود که با اعمال مجدد ولتاژ، حرکت سیستم درست از جایی آغاز می‌شد که آخرین‌بار قطع شده بود. به عبارت دیگر ویلیامز بی‌آنکه بداند، همان مقاومتی را ساخته بود که چوا با عنوان ممریستور می‌شناخت.
این آزمایش پرسش دیگری را هم پاسخ داد، اینکه چرا ممریستورها پیش از این وجود خارجی نداشتند؟ چون فقط در ابعاد نانو ایجاد می‌شدند. ویلیامز می‌گوید: «حرکت در ابعاد اتمی چیزی نیست که قابل‌رؤیت باشد. مقاومت در ابعاد نانو یعنی اطلاعات را می‌توان در چند میلیاردیم ثانیه و فقط با استفاده از چند پیکوژول انرژی بر روی ماده در حالت مقاومت منتقل کرد و پس از یک بار نوشتن اطلاعات بر این مقاومت، حافظه پایداری را در اختیار داشت که هر زمان، حتی زمانی که جریانی وجود ندارد، حاوی اطلاعات است».
الگوی حافظه
تولد ممریستورها یک جهش بزرگ بود. حدود 50 سال است که مهندسان الکترونیک ترانزیستورها را برای ساختن تراشه‌های حافظه به کار می‌برند. امروزه ویلیامز، با استفاده از معادلات چوا نشان داده که تنها چیزی که آنها نیاز دارند، ذره‌ای بسیار کوچک است.
ممریستور پتانسیل بسیار‌بالایی برای جانشینی فلش‌مموری -حافظه‌ای که قابلیت نوشته‌شدن و بازخوانی سریع اطلاعات را داراست- در ابزارهایی مانند دوربین‌ها و پورت‌های یو.اس.بی دارد. با اینکه ممریستور هم مانند حافظه فلش، قابلیت تا 10 هزار‌بار نوشته‌شدن اطلاعات جدید را دارد. باز هم ویلیامز معتقد است، امکان بهبود ماندگاری این حافظه وجود خواهد داشت. او امیدوار است در طول زمان این نوع حافظه جایگزین کارت‌های حافظه رم و در نهایت درایو دیسک‌سخت کامپیوترها با سرعتی سرسام‌آور شود. کامپیوتری را تصور کنید که با قطع جریان چیزی را از دست نمی‌دهد و بلافاصله پس از روشن‌شدن آخرین اطلاعات را در اختیار شما قرار خواهد داد.
توانایی‌های منحصر‌به فرد
برای ورود به این مقوله، باید الکترونیک و فیزیک را کنار بگذاریم و به سراغ زیست‌شناسی جانوری برویم، آن‌هم به دنیای کپک‌های تک‌یاخته !
Physarum polycephalum یک کپک خزنده است؛ نوعی ارگانیسم تکسلولی بزرگ که هوشی شگفت‌انگیز دارد. این کپک می‌تواند محیط را حس کند، نسبت به تغییرات در محیط‌زیستش واکنش نشان دهد و حتی معماهای ساده را حل کند. شاید جالب‌توجهترین مهارت این تک‌یاخته، توان پیشبینی اتفاقات متوالی باشد.
پی.پلی‌سفالوم برای تکثیر، ماده‌ای آبکی را به نام سل از میان بدنه ژلاتینی و لزجش به محیط اطراف ترشح می‌کند. سرعت ترشح این ماده در دمای اتاق، کند و حدود یک‌سانتیمتر در ساعت است، اما می‌توان این روند را با فراهم‌کردن شرایط بهینه، مثلا با وزش هوای مرطوب و گرم به محیط تسریع کرد، یا با تغییر شرایط با استفاده از جریان هوای سرد و خشک، روند رشد را بسیار کند ساخت.
محققان ژاپنی با علم به این شرایط، ابتدا کپک را به مدت 10 دقیقه در معرض جریان هوای سرد قرار دادند، 10 دقیقه بعد جریان را قطع کردند و به تناوب سه بار این مراحل را تکرار کردند. اما چهارمین بار، وزش هوای سرد انجام نگرفت. درمقابل، واکنش پی.پلی‌سفالوم بسیار‌جالب توجه بود: کپک مجددا سرعت رشدش را کند‌کرد، چون وزش جریانی سردی را پیشبینی کرده بود، که البته هرگز رخ نداد.
دقیق‌تر که نگاه کنیم، می‌بینیم اتفاق خارق‌العاده‌ای رخ داده است. تکیاخته‌ای که فاقد هرگونه سیستم عصبی است، اتفاقات را به خاطر سپرده و از آنها برای واکنش به محیط استفاده کرده است.
با مطالعه این مقاله، مکس دی‌ونترا، فیزیکدان دانشگاه کالیفرنیا در سن‌دیگو که از معدود کسانی است که تلاش‌های چوا را پیگیری می‌کرد، به این نتیجه رسید که پی.پلی‌سفالوم مانند یک مدار پایدار‌کننده حافظه عمل می‌کند. برای اثبات این نظریه، او و همکارانش تلاش‌کردند مداری بسازند که مانند این کپک قادر به شناخت توالی‌ها و پیشگویی آینده باشد.
تغییر در ولتاژ خارجی مدار، معادل تغییرات رطوبت و دما برای کپک بود. آنها سه ولتاژ خارجی تعریف کردند و سه پالس ولتاژ متفاوت را در زمان‌های مساوی به مدار ارسال کردند. همان‌طور که انتظار می‌رفت، هر زمان پالسی هم در کار نبود، پاسخی مطابق آن از سوی مدار وجود داشت.
دی‌ونترا، نقش گرما را در سرعت رشد این کپک، با محتوای سل و ژل آن مرتبط می‌داند. گرما مایعات را روان‌تر می‌کند و این احتمالا دلیل رشد بیشتر کپک در دمای بالاتر است. اما اینکه چطور مسیر رشد شکل می‌گیرد، به حافظه داخلی سلول بستگی دارد.
چوا پیشبینی می‌کند، ایده ممریستورها را می‌توان به ساختارهای زیستی پیچیده و نقش سیناپس‌ها- فاصله میان سلول‌های عصبی در جانداران تکامل‌یافته که عامل انتقال پالس‌های عصبی است - در انتقال عصبی تعمیم داد. او مخصوصا به پاسخ‌های الکتریکی پیچیده بدن به تغییر تعادل یونی پتاسیم - سدیم در غشای سلول‌های عصبی اشاره می‌کند که به بدن اجازه می‌دهند، پاسخ‌ها را طبق بسامد و شدت سیگنال‌ها تغییر دهد. این پدیده بسیار‌نزدیک به پاسخ‌هایی است که ممریستور تولید می‌کند. چوا می‌گوید: «حالا می‌دانم که سیناپس‌ها هم ممریستور بودند و کانال یونی، همان عنصر مداری بود که من سال‌ها دنبالش می‌گشتم».
آیا هوش مصنوعی با جهشی تازه مواجه خواهد بود؟ 
دست‌کم آژانس پروژههای تحقیقاتی پیشرفته دفاعی ایالات متحده، «دارپا» وابسته به وزارت دفاع این کشور این‌طور فکر می‌کند. در فروردین‌ماه سال گذشته، این آژانس «برنامه وسایل الکترونیکی پلاستیکی سازگار با سیستم عصبی» یا به اختصار SyNAPSE را برای تولید سیستم‌‌های الکترونیکی شبه‌سیناپسی آغاز کرده است.
تعداد سیناپس‌ها در کورتکس مغز انسان حدود 10 میلیارد در هر سانتیمتر‌مربع است و این در حالی است که قابلیت پردازش قوی‌ترین ریزپردازنده‌ها هم به یک‌دهم آن نمی‌رسد. از سوی دیگر در حالی که عده‌ای از دانشمندان به ساخت تراشه‌هایی از ترکیب ترانزیستورها و ممریستور فکر می‌کنند، ویلیامز و همکارانش روی ساخت سیناپس‌هایی از جنس ممریستور کار می‌کنند. ویلیامز می‌گوید: «بخشی از مشکل به این برمی‌گردد که این تراشه باهوش‌تر از استانداردهای تعریف شده است، که این مشکل را زمان حل خواهد کرد».
نظر شما