Các nhà nghiên cứu từ Viện Kỹ thuật Liên bang Thụy Sĩ (ETH), Đại học Zurich, và Phòng Thí nghiệm Thụy Sĩ (Empa) vừa phát triển vật liệu mới làm nên linh kiện điện tử có nhiều ứng dụng, được dùng trong các mạch điện mô phỏng não bộ con người và nâng cao hiệu quả các nhiệm vụ học máy.

Ảnh: Yuichiro Chino/Getty Images

So với máy tính, não bộ con người sử dụng năng lượng hiệu quả hơn hẳn. Vì vậy mà giới khoa học luôn lấy bộ não và các liên kết nơ-ron làm nguồn cảm hứng cho các phát minh công nghệ máy tính, cho rằng những hệ thống điện toán mô phỏng não bộ này sẽ sử dụng năng lượng hiệu quả hơn, cũng như thực hiện các nhiệm vụ học máy tốt hơn các hệ thống bình thường. Biết rằng nơ-ron thần kinh có vai trò lưu trữ lẫn xử lý dữ liệu, các nhà khoa học mong muốn có thể kết hợp cả hai chức năng trên vào cùng một loại linh kiện điện tử, gọi là điện trở nhớ hay memristor. Họ hy vọng giải pháp này sẽ giúp linh kiện sử dụng năng lượng hiệu quả hơn bởi quá trình truyền dữ liệu giữa bộ nhớ và bộ xử lý ở các máy tính thông thường là nguyên nhân chính khiến nhiều năng lượng bị tiêu hao trong các hệ thống học máy.

Các nhà khoa học tại ETH, Đại học Zurich, và Empa hiện đã cho ra ý tưởng về loại điện trở nhớ mới có nhiều ứng dụng hơn các điện trở nhớ trước kia. Rohit John, nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại ETH, giải thích: “Các điện trở nhớ có nhiều chế độ vận hành khác nhau. Nếu ta có thể tận dụng tất cả những chế độ này sao cho phù hợp nhất với hệ thống thần kinh nhân tạo đang cần chúng, đó sẽ là lợi thế đáng kể. Tuy nhiên, các điện trở nhớ đời trước cần phải thiết kế theo đúng chức năng trước khi lắp vào mạch.” Trong khi đó, các điện trở nhớ đời mới có thể chuyển đổi qua lại giữa hai chế độ vận hành khác nhau: một chế độ phát tín hiệu yếu dần rồi mất hẳn (chế độ biến động); chế độ còn lại duy trì tín hiệu ở mức nhất định (chế độ bất biến).

Tương tự bộ não

John nói bộ não cũng có hai chế độ vận hành này. Một mặt, kích thích ở các xi-náp được truyền từ nơ-ron này qua nơ-ron kìa bằng các chất dẫn truyền thần kinh sinh hoá. Những kích thích này ban đầu mạnh nhưng sau đó yếu dần. Mặt khác, các liên kết xi-náp giữa các nơ-ron luôn được tạo mới khi ta ghi nhớ thông tin mới và những liên kết này tồn tại lâu dài.

Được biết, John tiến hành nghiên cứu này cùng Yiğit Demirağ, một nghiên cứu sinh thuộc nhóm nghiên cứu của Giáo sư Giacomo Indiveri tại Viện Tin học Thần kinh tại Đại học Zurich và ETH.

Chất bán dẫn dùng trong tế bào quang điện

Điện trở nhớ phát triển tại Thụy Sĩ được làm từ tinh thể nano perovskite halogenua, một vật liệu bán dẫn chủ yếu dùng trong các tế bào quang điện. Giáo sư Maksym Kovalenko tại ETH giải thích: “Quá trình ‘dẫn truyền thần kinh’ giữa các điện trở nhớ được điều hòa tạm thời hoặc vĩnh viễn bằng cách liên kết các ion bạc từ điện cực, làm thành một loại dây nano có khả năng phá thủng cấu trúc perovskite, tạo ra một kiểu mạch mà dòng điện có thể đi qua.”

Dây ion bạc có thể mỏng, cho phép chúng tách thành các ion bạc tự do (cơ sở cho chế độ biến động), mà cũng có thể dày và tồn tại vĩnh cửu (cơ sở cho chế độ bất biến). Dây dẫn mỏng hay dày phụ thuộc vào cường độ dòng điện đi qua điện trở nhớ. Cường độ thấp làm dây ion bạc mỏng, kích hoạt chế độ biến động. Cường độ cao làm dây ion bạc dày hơn, kích hoạt chế độ bất biến.

Công cụ mới cho giới tin học thần kinh

Demirağ bình luận: “Theo những gì chúng tôi biết thì đây là loại điện trở nhớ đầu tiên trên thế giới có khả năng tự động chuyển qua lại giữa chế độ bất biến và chế độ biến động.” Điều này cũng có nghĩa các chip vi tính tương lai có thể được thiết kế với các điện trở nhớ vận hành được ở cả hai chế độ. Đây là một bước tiến mới trong ngành điện tử bởi thường một chip không thể nào gắn kết hợp nhiều loại điện trở nhớ với nhau.

Trong khuôn khổ cuộc nghiên cứu, nhóm thí nghiệm đã tiến hành 20.000 bài kiểm tra và đo đạc khác nhau đối với 25 điện trở nhớ có thể chuyển chế độ này, nhờ vậy mà mô phỏng được bài toán điện toán trên một hệ thống phức. Bài toán liên quan đến việc phân loại các xung nơ-ron vào 4 kiểu hình đã được định sẵn.

Trước khi được ứng dụng trong công nghệ máy tính, các điện trở nhớ phải trải qua nhiều lần tối ưu hoá. Linh kiện đời mới này cũng có thể được sử dụng trong các nghiên cứu tinh học thần kinh. Giáo sư Indiveri có nhận xét: “Những linh kiện này tiến gần đến vai trò các nơ-ron thần kinh hơn các đời trước. Vì vậy mà các nhà khoa học có thể sử dụng chúng để kiểm nghiệm các giả thuyết tin học thần kinh, từ đó hiểu hơn về nguyên lý hoạt động của các mạch nơ-ron trong não bộ động vật, bao gồm con người.”

Huỳnh Trọng Nhân
(Lược dịch)