دستگاه مذکور، یک ممریستور (ترکیبی از حافظه و مقاومت) مرتبه‌ی دوم نامیده می‌شود. طرح هوشمندانه‌ی این دستگاه، از سیناپس‌های موجود در مغز انسان به‌گونه‌ای تقلید می‌کند که اطلاعات را به‌خاطر می‌آورد؛ ولی درصورتی که این اطلاعات به‌مدت طولانی مورد استفاده قرار نگیرند، به‌تدریج محو خواهند شد.

درحال حاضر، ممریستور کاربردهای عملی زیادی ندارد، اما درنهایت می‌تواند به دانشمندان کمک کند نوروکامپیوترهایی را بسازند که برخی از کارکردهای مغز را داشته باشند.در یک نوروکامپیوتر آنالوگ، اجزای الکترونیکی موجود روی تراشه (مثلا ممریستور) می‌تواند نقش نورون‌ها و سیناپس‌ها را داشته باشد. این امر هم می‌تواند مقدار انرژی مورد نیاز کامپیوتر را کاهش دهد و هم موجب افزایش سرعت محاسبات شود.

در حال حاضر، نوروکامپیوترهای آنالوگ فرضی هستند؛ زیرا این موضوع باید مورد بررسی قرار گیرد که الکترونیک چگونه می‌تواند از انعطاف‌پذیری سیناپسی موجود در مغز تقلید کند. در مغز، سیناپس‌های فعال طی زمان تقویت می‌شوند و سیناپس‌های غیرفعال به‌تدریج ضعیف‌تر می‌شوند. دانشمندان تصور می‌کنند که به‌همین دلیل است که ما برخی از خاطرات را حفظ می‌کنیم و برخی دیگر فراموش می‌شوند.

در تلاش‌های پیشین به‌منظور ساخت ممریستورها، از پل‌های رسانای نانویی استفاده می‌شد که طی زمان پوسیده می‌شدند؛ به‌همان روشی که خاطرات ممکن است در ذهن ما از بین بروند. آناستازیا چوپریک، از موسسه‌ی فیزیک و فناوری مسکو (MIPT) می‌گوید:

مشکل راه‌حل (ممریستورهای مرتبه اول) مذکور این است که رفتار دستگاه طی زمان تغییر پیدا می‌کند و دستگاه پس از گذشت مدت زمان طولانی درهم می‌شکند. مکانیسمی که ما آن را برای شبیه‌سازی انعطاف‌پذیری سیناپسی به کار بردیم، از استحکام بیشتری برخوردار است. این سیستم پس از ۱۰۰ میلیارد بار تغییر وضعیت همچنان به‌طور نرمال کار می‌کرد بنابراین ما آزمایش استقامت را متوقف کردیم.

پژوهشگران در این مورد، به‌جای پل‌های نانویی از یک ماده‌ی فروالکتریک به نام اکسید هافنیم با یک قطبیت الکتریکی استفاده کردند که در پاسخ به یک میدان الکتریکی خارجی تغییر پیدا می‌کند. این بدان معناست که وضیعت‌های مقاومت بالا و پایین را می‌توان با پالس‌های الکتریکی تنظیم کرد.

سیناپس (سمت چپ) در مقایسه‌ با ممریستور (سمت راست)

چیزی که باعث می‌شود اکسید هافنیم برای این کار مناسب باشد، آن است که ماده درحال حاضر به‌وسیله‌ی شرکت‌هایی مانند اینتل برای ساخت ریزتراشه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرد. بر این‌ اساس، هنگام ارائه‌ی نوروکامپیوترهای آنالوگ، معرفی ممریستورها آسان‌تر و ارزان‌تر خواهد بود. چوپریک می‌گوید:

اصلی‌ترین چالش رو‌درروی ما، یافتن ضخامت مناسب لایه‌ی فروالکتریک بود. ثابت شد که ضخامت ۴ نانومتر مناسب است. اگر لایه یک نانومتر نازک‌تر شود، ویژگی‌های فروالکتریک آن از بین می‌روند و لایه‌ی ضخیم‌تر نیز مانعی سر راه جریان الکترون‌ها خواهد بود.

فراموشی واقعی ازطریق نقایصی که توسعه‌ی ریزپردازنده‌های مبتنی بر هافنیم را دشوار می‌سازد، عملی می‌شود (نقایصی در خط اتصال بین سیلیکون و اکسید هافنیم). همین نقص‌ها موجب می‌شود که رسانایی ممریستور طی زمان و به‌مرور از بین برود. این شروعی امیدوارکننده است اما هنوز مسیر طولانی پیش‌رو قرار دارد: برای مثال سلول‌های حافظه باید قابل اطمینان‌تر از چیزی که در حال حاضر هستند، باشند. همچنین پژوهشگران می‌خواهند این موضوع را بررسی کنند که چگونه دستگاه جدید آن‌ها می‌تواند با الکترونیک انعطاف‌پذیر تلفیق شود. ویتالی میخف، فیزیکدان MIPT می‌گوید:

ما قصد داریم که تعامل بین مکانیسم‌های مختلف تغییر مقاومت در ممریستور را مورد بررسی قرار دهیم. به‌نظر می‌رسد که اثر فروالکتریک تنها اثر موجود نباشد. برای بهبود بیشتر دستگاه، ما باید بتوانیم بین این مکانیسم‌ها تمایز قائل شویم و ترکیب آن‌ها با هم را یاد بگیریم.

حافظه کامپیوتری چندمنظوره

داده‌های تمامی تصاویر اینستاگرامی که پست می‌کنید، لازم است جایی ذخیره شوند و افزایش اطلاعات دیجیتالی که همه‌ی ما در حال تولید آن هستیم به این معنا است که به افزایش حافظه برای ذخیره‌ی آن‌ها نیز نیاز داریم. به‌تازگی دانشمندان یک نمونه‌ی کاری از نوعی حافظه را که با عنوان «حافظه‌ی چندمنظوره» (Universal Memory) شناخته می‌شود، ارائه داده‌اند؛ نوع جدیدی از سلول حافظه‌ی الکترونیکی که عناصر مثبت فناوری‌های حافظه‌ی موجود را با هم ترکیب می‌کند و در همین حین بسیاری از نقاط ضعف را به حداقل می‌رساند.

سلول‌های حافظه‌ی معرفی‌شده براساس رویکرد مکانیک کوانتوم توسعه پبدا کرده که وقتی الکترون‌ها در اطراف آن تونل می‌زنند، بازده انرژی آن افزایش می‌یابد. مانوس هین از دانشگاه لنکستر در بریتانیا می‌گوید:

به‌طور کلی، ایجاد یک حافظه‌ی چندمنظوره که اطلاعات را به‌صورت محکمی ذخیره کند و نیز به آسانی قابل تغییر باشد، غیرممکن تلقی می‌شد، اما این دستگاه ویژگی‌های مخالفی را از خود نشان داده است.

به‌طور کلی، کامپیوترها، تلفن‌ها و مراکز داده‌ها از دو نوع حافظه استفاده می‌کنند. RAM (حافظه با دسترسی تصادفی) که تمام فایل‌ها و اپلیکیشن‌های باز شما را در حافظه حفظ می‌کند. این نوع حافظه فوق‌العاده سریع است و مصرف انرژی کمی دارد اما تمامی اطلاعاتی که با این روش ذخیره شده باشد، هنگام قطع برق از دست می‌رود. اگر شما نیز هنگام گیر کردن سیستم، یک کار ذخیره‌نشده را از دست داده باشید، تاحدودی از محدودیت‌های این نوع حافظه آگاهی دارید. حافظه‌ی تصادفی پویا یا DRAM نوعی از حافظه است که بیش از همه در کامپیوترها استفاده می‌شود، اگرچه حافظه با دسترسی تصادفی ایستا (SRAM) نیز گاهی روی پردازنده‌ی اصلی کامپیوتر نصب می‌شود.

بیشتر بخوانید:هوش مصنوعی بزرگ‌ترین نیروی فناوری در زمان ما است

نوع دیگر حافظه، حافظه‌ی فلش است: این نوع حافظه می‌تواند فایل‌ها را به‌مدت طولانی نگه دارد، مثلا وقتی که یک سند یا تصویر را روی لپ‌تاپ ذخیره می‌کنید. این نوع حافظه کندتر از RAM است و انرژی بیشتری مصرف می‌کند. علاوه‌براین، حافظه‌ی فلش طی زمان تحلیل می‌رود، هرچند سرعت این روند به اندازه‌ای کند است که قبل از ارتقاء یک دستگاه جدید متوجه آن نمی‌شوید.

کاری که پژوهشگران در این مطالعه انجام داده‌اند، ترکیب و تطابق این دو نوع حافظه است. این کار در حال حاضر فقط در آزمایشگاه انجام شده است بنابراین تا زمانی‌که این نوع حافظه وارد دستگاه‌های شخصی ما شود، باید مدتی منتظر بمانیم و اگر چنین اتفاقی بیفتد، برای مدتی دیگر نیاز به ارتقاء هارد دیسک خود نخواهیم داشت. هین می‌گوید:

حالت ایده‌آل ترکیب کردن مزایای این دو نوع حافظه بدون معایب آن‌ها است و این همان چیزی است که ما آن را نشان داده‌ایم. دستگاه ما دارای یک زمان درونی تمام‌نشدنی ذخیره‌سازی اطلاعات است و درمقایسه‌با DRAM، می‌تواند اطلاعات را با ۱۰۰ برابر انرژی کمتر ذخیره یا حذف کند.

 پژوهشگران می‌گویند حافظه‌ی چندمنظوره‌ آن‌ها می‌تواند میزان مصرف انرژی مرکز داده را در زمان‌های اوج، به یک پنجم کاهش دهد. این نوع حافظه همچنین توسعه‌ی نوع جدیدی از کامپیوتر را که هرگز نیازی به بوت شدن ندارد، امکان‌پذیر خواهد کرد که در فواصل زمانی‌که مورد استفاده قرار نمی‌گیرد (حتی در فاصله‌ی بین فشردن کلیدها) سریعا و به‌طور نامحسوس به‌ حالت خواب می‌رود.

پژوهشگران نتایج پژوهش خود را ثبت اختراع کرده‌اند. این پیشرفت، منافع مالی زیادی خواهد داشت و احتمالا نخستین مشتریان آن نه سازندگان تلفن همراه و لپ‌تاپ، بلکه غول‌های تکنولوژی خواهند بود (کامپیوترهایی که نیاز به ذخیره‌ی حجم عظیمی از اطلاعات دارند). بااین‌حال به‌طور بالقوه این حافظه می‌تواند برای هر فردی که از یک دستگاه الکترونیک نسل آینده استفاده می‌کند، سودمند باشد و پس از آن دیگر پست مطالب و تصاویر در رسانه‌های اجتماعی و استریم کردن ویدئو، به انرژی چندانی نیاز نخواهد داشت.