فيزيائيون من معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا MIPT يصنعون جهازاً يقلد الذاكرة البيلوجية

 ٢٨ أغسطس ٢٠١٩

اعداد معهد موسكو للفيزياء والتنكلوحيا 

المترجم: أبو طه/ عدنان أحمد الحاجي

راجعة المهندس علي أحمد الشيخ أحمد 

المقالة رقم ٣٦٨ لسنة ٢٠١٩ 

التصنيف: أبحاث الذاكرة 

MIPT physicists create device for imitating biological memory

28-Aug-2019

Moscow Institute of Physics and Technology

ابتكر باحثون من معهد موسكو للفيزياء والتكنولوجيا MIPT جهازًا يحاكي نفس عمل  المشبك العصبي  synapse في الدماغ الحي، ويخزن المعلومات وينساها تدريجيًا عند عدم استعمالها لفترة طويلة.  يُعرف الجهاز الجديد على أنه مقاومة ذاكرية (الميمورستور  memristor ، ١)  من الدرجة الثانية ، ويستند إلى أكسيد الهفنيوم hafnium، ويوفر فرصًا لتصميم حواسيب ( أجهزة كمبيوتر ) عصبية neurocomputers تماثلية  analog التي تقلد الطريقة التي يتعلم/يعرف بها الدماغ البيولوجي.  نتائج الدراسة نشرت في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية  ACS للمواد التطبيقية والواجهات ACS Applied Materials & Interfaces..

دماغ على شريحة

 أجهزة الكمبيوتر العصبية ، التي تُمَكّن الذكاء الاصطناعي وتحاكي الطريقة التي يعمل بها الدماغ.  تقوم بتخزين البيانات في مشابك ، وهي شبكة من التوصيلات  بين الخلايا العصبية أو  العصبونات.  معظم أجهزة الكمبيوتر العصبية تمتلك هيكلاً  رقمياً تقليدياً  وتستخدم نماذج رياضية لإستثارة  العصبونات والمشابك الافتراضية.

 وبدلاً من ذلك ، يمكن للمكون الإلكتروني الفعلي الموجود على الشريحة أن يمثل كل خلية عصبية ومشابك عصبية  في الشبكة.  ما تسمى بالمقاربة التماثلية هذه لديها القدرة على تسريع الحوسبة  بشكل كبير وخفض تكاليف الطاقة.

المكون الأساسي للحاسوب الافتراضي التماثلي هو الميمورستور  memristor (المقاومة الذاكرية) .  والكلمة هذه هي كلمة منحوتة من كلمتي "الذاكرة" و "المقاوم resistor" منا يلخص إلى حد كبير ماهيتها: خلية ذاكرة تعمل كمقاوم.  وبكلمة فضفاضة  ، مقاومة عالية تشفر الصفر ، ومقاومة منخفضة تشفر الواحد .  هذا نشابهه لكيف  تقوم  المشابك العصبية بتوصيل إشارة بين عصبونين (واحد) ، في حين أن عدم وجود المشبك العصبي لا يؤدي إلى أي إشارة (صفر).

 ولكن هناك مشكلة: في الدماغ  الحقيقي، نقاط المشابك العصبية النشطة تميل  إلى أن تقوى  بمرور الوقت ، في حين أن العكس صحيح بالنسبة للمشابك العصبية  غير النشطة.  هذه الظاهرة المعروفة باسم اللدونة المشبكية هي واحدة من أسس التعلم والذاكرة الطبيعية.  هذا ما يفسر بيولوجيا الحشو cramming  للإمتحان (للتعريف راجع ٢ ) ولماذا تتلاشى ذاكرتنا  التي نادراً ما تستعمل.

المقترح في عام ٢٠١٥ ، هو  ان الميمورستور memristor من الدرجة الثانية محاولة لإعادة إنتاج الذاكرة الطبيعية ، متممةً  باللدونة المشبكية.  الآلية الأولى لتطبيق هذا تتضمن تشكيل جسور موصلة بحجم النانو (متناهية الصغر) عبر الميمورستور.  قي حين  تخفض من  المقاومة في البداية   ، فإنها تتحلل/تتلاشى بشكل طبيعي مع الوقت ، محاكية عملية  النسيان.

 "المشكلة في هذا الحل هي أن الجهاز يميل إلى تغيير سلوكه بمرور الوقت ويتعطل/يخرب بعد تشغيله لفترة طويلة ،" كما قالت المؤلفة الرئيسة  للدراسة ، أنستازيا تشوبريك من مختبر أنظمة الحوسبة  العصبية في MIPT.  "الآلية التي استخدمناها في تطبيق اللدونة المشبكية هي أكثر قوة. في الواقع ، بعد تبديل (تشغيل وقطع)  switching حالة النظام مائة  مليار مرة ، كان لا يزال يعمل بشكل طبيعي ، لذلك أوقف زملائي اختبار التحمل."

بدلًا من الجسور النانوية ، اعتمد فريق ال MIPT على أكسيد الهفنيوم لمحاكاة  الذاكرة الطبيعية.  هذه المادة هي فروالكهربائية  ferroelectric (٣): توزيع الشحنة الداخلية المقيدة - الاستقطاب الكهربائي - استجابةً لحقل كهربائي خارجي.  لو  تمت إزالة الحقل بعد ذلك ، احتفظت المادة باستقطابها التي حصلت عليه ، تظل المغناطيس الحديدية  ممغنطة.

 استخدم الفيزيائيون الميمستور من الدرجة الثانية كنقطة التقاء أنفاق فروكهربائية - قطبان كهربيان متداخلان مع طبقة رقيقة من أكسيد الهفنيوم (الشكل 1 ، يمين).  يمكن تبديل الجهاز بين مستويات المقاومة المنخفضة والعالية بنبضات كهربائية ، والتي تغير استقطاب الفيلم الفروكهربائي وبالتالي تعيير مقاومته.

وأضاف تشوبريك "التحدي الرئيسي الذي واجهناه هو اكتشاف سمك الطبقة الفروكهربائية الملائم".  "ثبت أن أربعة نانومتر   كانت مثالية. لو جعلناها  أرق بنانومتر واحد فقط ، فإن خصائص الفروكهربيائية  العازلة ستزول  ، في حين أن الفيلم الأكثر سمكًا يمثل حاجزًا كبيرًا أمام الإلكترونات لتجد لها  ممراً من خلاله. وهو فقط التيار العابر للحاجز  tunneling current الذي يمكننا تعديله بواسطة  تبديل الاستقطاب ".

 إن ما يعطي أكسيد الهفنيوم ميزة على المواد الفروكهربائية الأخرى ، مثل تيتانات الباريوم ، هو أنه يستخدم بالفعل بواسطة تكنولوجيا وادي السيليكون الحالية.  على سبيل المثال ، تقوم شركة Intel بتصنيع الرقائق الدقيقة المستندة  إلى مركب الهفنيوم منذ عام ٢٠٠٧. وهذا يجعل إدخال الأجهزة المستندة إلى الهفنيوم مثل الميمورستور memristor التي نشرت في هذا المقال  أسهل بكثير وأرخص من تلك التي تستخدم مادة جديدة تمامًا.

في هذا العمل الفذ لهذه  البراعة ، نفذ الباحثون عملية "النسيان" من خلال الاستفادة من العيوب في الواجهة بين السيليكون وأكسيد الهفنيوم.  اعتُبرت تلك العيوب بالذات بمثابة إضرار للمعالجات الميكروية (الدقيقة) microprocessors المستندة  الى الهافنيوم ، وكان على المهندسين أن يتجاوزوا ذلك من خلال دمج عناصر أخرى في مركب ( أكسيد الهفونيوم).  بدلاً من ذلك ، استغل فريق ال MIPT العيوب ، التي تجعل موصلية الميمورستور  تتلاشى مع الزمن ، تمامًا كالذاكرة الطبيعية.

 شارك فيتالي ميكيڤ ، أول مؤلف للورقة ، الخطط المستقبلية مع الفريق : "سنبحث في التفاعل بين الآليات المختلفة التي توصل/تقطع   switching المقاومة في الميمورستور  اتضح أن التأثير الفروكهربائي قد لا يكون الوحيد المعني.  لمزيد من تحسين الأجهزة ، سنحتاج إلى التمييز بين الآليات وتعلم دمجها. "

وفقًا للفيزيائيين  ، سوف يواصلون البحث الأساسي حول خصائص أكسيد الهفنيوم لجعل خلايا ذاكرة الوصول العشوائي المستدامة  nonvolatile random access memory ( أوNVRAM) موثوقة  أكثر .  يبحث الفريق أيضًا في إمكانية تحويل أجهزتهم الى  ركيزة substrate مرنة ، لاستخدامها في الإلكترونيات المرنة.

 في العام الماضي ، قدم الباحثون وصفًا مفصلاً لكيف يؤثر  تطبيق المجال الكهربائي على أفلام أكسيد الهفنيوم على استقطابهم.  هذه هي العملية ذاتها التي تمكّن من تقليل مقاومة الميمورستور memristor الفروكهربائية والتي تحاكي عملية تقوية المشابك العصبية في الدماغ البيولوجي.  يعمل الفريق أيضًا على أنظمة الحوسبة العصبية ذات البنية الرقمية.

مصادر من داخل وخارج النص 

١-https://ar.m.wikipedia.org/wiki/مقاومة_ذاكرية

٢- الحشو = الدراسة بشكل مكثف لاستيعاب كميات كبيرة من المواد في فترات قصيرة من الزمن، وغالبا ما يتم ذلك من قبل الطلاب استعداداً للامتحانات القادمة، مزيد منا المعلومات على هذا العنوان :https://ar.m.wikipedia.org/wiki/تحميل_(تعليم) 

٣- هي خاصية فيزيائية  لبعض المواد التي يتغير استقطابها الكهربائي بسبب تغير حقل مغناطيسي خارجي

المصدر الرئيس

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-08/miop-mpc082819.php

للمواضيع المترجمة السابقة يرجى زيارة المدونة على هذا العنوان؛

 http://www.adnanalhajji.sa