Makine Öğreniminde Beyni Örnek Alan Yenilik: Çift Modlu Memristör

İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü (ETH), EMPA ve Zürih Üniversitesinden araştırmacılar, geniş bir kullanım alanına hitap edecek yeni bir memristör geliştirdi. İnsan beyninden ilham alınarak tasarlanan ve bu sayede bilhassa makine tahsili projelerinde güç verimliliği sunan elektronik devrelerin bahsedeceğimiz çalışmayla daha çok gündeme geleceği varsayım ediliyor. Teknoloji dünyasındaki bu bileşenin yeni versiyonu hakkındaki ayrıntılara dilerseniz daha yakından bakalım.

Bilgisayarlarla karşılaştırıldığında, insan beyninin inanılmaz derecede güç verimliliğine sahip olduğu bilim topluluğunda zati kabul görmüş durumda. Haliyle araştırmacılar, yenilikçi yapay zeka sistemlerinin tasarlanması konusunda beyni ve bünyesindeki nöronları örnek alıyor. Beynin yapısına benzeri formda geliştirilen sistemlerin, klasik bilgisayar ortamlarına kıyasla daha az güç harcaması da ilgileri üzerinde topluyor. Çünkü günümüzün standart bilgisayar mimarileri, makine tahsili alanındaki uygulamalarda devasa maliyetlere neden olmakla birlikte altyapı ilerleyişinin önündeki pürüzlerden biri pozisyonunda. Öteki taraftan, insan beynini model alan dizaynlar, yapay zekanın çalışma prensiplerine de uygun olduğu için yeni araştırmaların beğenilen konusu haline geldiğini söyleyebiliriz.

Bilim insanları, bilgileri depolayarak ve işleyerek tıpkı anda iki temel misyonu üstlenen nöronların benzerini elektronik tarafında memristör ismindeki bileşenle yapmayı hedefliyor. Buradaki umut, daima olarak altını çizdiğimiz güç kullanımını en aza indirgemekle ilgili zira hepimizin bildiği standart işlemci ve depolama üniteleri ortasındaki data alışverişi, makine tahsili kelam konusu olduğunda en çok güç harcanan faktörlerin başında geliyor. Pekala nöronların gördüğü fonksiyonun elektronik tarafındaki karşılığı olarak nitelendirilen memristörler nedir biraz da bundan bahsedelim. Ayrıyeten bahisle alakalı daha ayrıntılı bilgi edinmek için yazının sonunda paylaştığımız kaynakçayı incelemenizi mutlaka tavsiye ederiz.
Bir Memristör Örneği (Kaynak: Chua Memristor Center)
Elektronik alanının Dartanyan’ı pozisyonundaki memristör, günümüzden yaklaşık 50 yıl evvel keşfedilmekle birlikte, ismi uzun yıllar boyunca teorik bir kavram olmaktan öteye geçemedi. Ta ki HP’den bir küme araştırmacı, 2008 yılında kullanışlı fizikî bir modelini geliştirene kadar. Bu bileşen, bir devredeki elektrik akımının akışını denetim eder ama esasen memristörler, üzerine uygulanan tansiyona nazaran direnç bedelinin değişmesi ve uygulanan tansiyonun kaynağı ortadan kaldırılsa bile aldığı son direnç bedelini hatırlaması sayesinde büyük bir ehemmiyete sahip. Hafızalı direnç olarak da nitelendirilen memristörlerin bu özellikleri, geçmişte içlerinden ne kadar yük geçtiğine bağlı olarak iletkenliği gelişen yahut zayıflayan sinapslara (nöronlar ortasındaki bağlantılara) benzetiliyor. Çünkü bu devre elemanının da sinapslar üzere iki farklı çalışma formu var: Bunlar, sinyalin vakitle zayıfladığı ve kesildiği süreksiz (Volatile) mod ve sinyalin sabit bir biçimde kaldığı kalıcı (Non-volatile) mod. Yapay hudut ağları üzerinde yapılan çalışmalarda muhtaçlığa uygun bir formda memristörler bu modlara nazaran üretilerek kullanılıyor ve ikisi ortasında geçiş yapmak mümkün değildi. Ta ki İsviçre’de gerçekleştirilen araştırmaya kadar.

İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü, EMPA ve Zürih Üniversitesinden bir ortaya bilim insanları, mevcut olanlarından çok daha geniş uygulama yelpazesinde kullanılabilecek yeni bir memristörün konsepti üzerinde çalıştılar. İsviçre Federal Teknoloji Enstitüsü’nde doktora sonrası araştırmacı olan Rohit John’un bahisle alakalı yaptığı açıklamada, “Memristörler için farklı çalışma modları var ve tüm bu modları yapay bir hudut ağının mimarisine bağlı olarak kullanabilmek avantajlı olurdu. Fakat bildiğimiz klasik memristörlerin modlardan biri için evvelden yapılandırılması gerekiyordu.” diyerek bileşenlerdeki modlarla ilgili birtakım detaylardan bahsetmiş. John, açıklamasının devamında, iki çalışma modunun da insan beyninde bulunduğuna değinerek; biyokimyasal olarak nörondan nörona iletilen sinyalin vakitle zayıflamasını memristördeki süreksiz (Volatile) modla benzeştiğini, öğrenme faaliyetinde beyindeki nöronlarla yeni sinaptik güçlü kontakların oluşmasını kalıcı (Non-volatile) mod ile uyuştuğunu belirtmiş. Buradaki sorun ise memristörlerin nöronlar üzere iki modu kullanamıyor oluşuydu ama artık tahlile kavuşmuş durumda.



Araştırmacıların geliştirdiği yeni memristör, güneş gücü sistemlerinde ışıktan elektrik üreten fotovoltaik hücrelerdeki yarı iletken bir materyal olan halojenür perovskit nanokristallerden yapılmış. Bu sayede bileşen, üzerinde yürütülen akımın yoğunluğuna nazaran denetim edilebiliyor. Yani zayıf bir akımda süreksiz (volatile) mod etkinleşirken, güçlü bir akımda ise kalıcı (Non-volatile) mod aktifleşiyor. Rohit John’un bu çalışmayı Zürih Üniversitesi Nöroinformatik Enstitüsü’ndeki Giacomo Indiveri’nin kümesinde doktora öğrencisi olan Yiğit Demirağ ile birlikte yürüttüğünü de söylemeden geçmeyelim. Ayrıyeten Demirağ,  gelişmeyle ilgili olarak, “Bildiğimiz kadarıyla bu, isteğe bağlı olarak süreksiz ve kalıcı modlar ortasında muteber bir formda değiştirilebilen birinci memristördür.” dedi. Tek bir çip üzerinde iki tipteki memristörü konumlandırmanın imkansızlığını varsayarsak bu birincinin, gerçek nöronlara en yakın teknoloji olduğu da yadsınamaz bir gerçek.

Şu ana kadar memristörün yapay hudut ağı sistemlerine olan katkısından bahsettik ama bu kavramın bilgisayar alanına girme ihtimali de var. Keşfi ve icadı üzerinden onlarca yıl geçmiş olmasına karşın bilgisayarlar ile ortak paydada buluşamamış memristörler, örneğin, içerisindeki bilgileri kaybetmeyen bellek üniteleri yahut devasa boyutlarda sağlam diskler geliştirmenin önünü açabilir lakin son kullanıcıya ulaşmaları için hala kimi açılardan optimize edilmeleri gerekiyor.