Computers kunnen steeds beter patronen herkennen. Toch werkt het menselijk brein vaak nog sneller, efficiënter en zuiniger. Door net als in het brein data te verwerken én op te slaan op dezelfde plek, kunnen chips tot duizend keer minder energie gaan gebruiken, denken wetenschappers.

De computer is ooit bedacht als een grote rekenmachine om de mens te ontlasten. Sinds de opkomst van kunstmatige intelligentie (AI) is de rol van chips fors uitgebreid. Dankzij AI kan een smartphone spraak herkennen en ‘ziet’ de software dat er bijvoorbeeld een hond staat op die leuke foto die je net nam.
 

Veel stroom

Om goed te functioneren, moet een AI-algoritme eerst worden getraind. Voor het dat schattige hondje herkent op de foto, heeft het tienduizenden foto’s doorgewerkt om te leren hoe zo’n dier eruitziet. Dat kost wat tijd, maar belangrijker nog: dat kost een hoop energie – bijna evenveel als een huishouden in twee weken verbruikt.

Ook als de training voorbij is, kost de beeldherkenning nog veel stroom. Dat komt doordat in de huidige computers de processoren en het geheugen fysiek van elkaar zijn gescheiden. Voortdurend moet informatie heen en weer: een vertragend en energie-inefficiënt proces.
 

Netwerk van zenuwcellen

‘Iedereen die online weleens een captcha heeft ingevuld, heeft de grenzen van conventionele computers aan den lijve ondervonden’, zegt hoogleraar Hans Hilgenkamp, één van de directeuren van het Center for Brain- Inspired Nano Systems (BRAINS) van de Universiteit Twente (UT). Zo’n captcha wordt ingezet om ongewenste bots te weren en bestaat uit letters of cijfers die zo zijn vervormd dat de computer ze niet meer kan herkennen.

Voor het menselijk brein is dat daarentegen een fluitje van een cent, dankzij een communicerend netwerk van zenuwcellen (neuronen) in ons brein. Elke neuron mondt uit in meerdere (axon)uiteinden en geeft via de synapsen – de verbindingsstukjes tussen neuronen – informatie door aan andere neuronen.
 

Krachtige chip

Hier zijn de verwerking en het geheugen met elkaar verweven, wat een hoop energie scheelt en het proces versnelt. ‘Een krachtige chip die net zoals het brein data op dezelfde plek kan verwerken en opslaan, opent een nieuwe wereld aan mogelijkheden’, zegt Hilgenkamp. Een chip die volgens deze principes van het brein werkt, zou voor bepaalde processen duizend keer minder energie verbruiken dan de huidige computerchips.
 

In-memory computing is het nieuwe concept waarbij geheugen en verwerking op de een of andere manier naast elkaar bestaan, net als in het brein.
Illustratie: IBM Research

 

Geïnspireerd op het brein

Wereldwijd werken wetenschappers aan universiteiten en in bedrijven aan dergelijke neuromorfische chips, ofwel chips die zijn geïnspireerd op de werking van het brein. Het gaat daarbij niet om nieuwe software om de traditionele computer steeds complexere handelingen te laten uitvoeren, maar om materialen en ontwerpen die functioneren zoals het brein. De focus ligt daarbij op het mogelijk maken van meerdere processen tegelijk en op het combineren van het geheugen en de verwerking van informatie.

De Amerikaanse chipfabrikant Intel maakt kunstmatige neuronenchips van silicium. Deze zogenoemde Loihi-chips bevatten rond de 130.000 neuronen en zijn al in staat chemische stoffen te ‘ruiken’ in geurmonsters. Door 768 chips aan elkaar te schakelen bouwde Intel al een groot neuraal netwerk dat werkt als een snellere en energiezuinigere computer voor bepaalde AI-processen.
 

Plastisch als het brein

Aangezien de complete chipindustrie is gebouwd op silicium zijn deze chips geschikt voor grootschalige productie. Hertrainbaar zijn ze echter niet. ‘De neurale netwerken staan gegraveerd in silicium en zijn daarom niet plastisch zoals in het brein’, zegt Yoeri van de Burgt, hoofddocent aan de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e). Ook zijn onderzoeksgroep werkt aan neuromorfische chips. ‘Doordat het brein plastisch is, kunnen er constant nieuwe netwerken worden aangelegd of bestaande netwerken versterkt: op die manier leer je’, zegt Van de Burgt. ‘Chips gemaakt van materialen die dit ook kunnen, zijn in staat ook weer nieuwe taken te leren.’
 

MEER LEZEN OVER DE BREINCOMPUTERS?

Het volledige verhaal over de op hersenen gebaseerde computers vindt u in het aprilnummer van De Ingenieur. Koop de digitale versie voor € 7,50, of neem - met een flinke korting van 25 % - een digitaal jaarabonnement van twaalf nummers voor € 69,-.

 

​Openingsfoto Een ‘chip’ met organische kunstmatige synapsen met elektrolyt (water met zoutionen) erbovenop. Foto: Eveline van Doremaele