Nieuwsbrief

Blijf wekelijks op de hoogte van het beste uit De Kennis van Nu en het laatste nieuws!

MELD JE AAN
UHEI-Chip

Bij de Universiteit van Heidelberg wordt het grootste elektronische brein ter wereld gebouwd: een brein met vier miljoen kunstmatige hersencellen. Deadline: oktober 2015.

Halverwege de 20e eeuw verdrong de digitale computer zijn analoge voorganger. Waar de digitale computer rekent met enen en nullen, rekende zijn analoge voorganger met continu variërende elektrische, mechanische of zelfs hydraulische grootheden. De klassieke rekenliniaal is bijvoorbeeld een analoge computer.

Dankzij de al decennialang kleiner wordende transistoren - een trend die wordt uitgedrukt in de Wet van Moore - kon de digitale computer zo succesvol worden als hij tegenwoordig is. Zó succesvol zelfs dat de meeste informatici denken dat de analoge computer voorgoed een museumstuk is geworden. Maar niet iedereen is het daarmee eens, en de analoge computer lijkt zelfs weer een comeback te maken. Maar dan wel voor specifieke toepassingen.

De reden hiervoor is dat de digitale computer bij sommige toepassingen tegen een aantal praktische problemen begint op te lopen. Die problemen worden duidelijk wanneer we de digitale computer vergelijken met het analoge menselijk brein. Ten eerste verbruikt een supercomputer al snel enkele megawatt aan energie, terwijl het menselijk brein slechts twintig watt verbruikt. Ten tweede wordt vooral voor rekentaken waarbij massaal parallel gerekend moet worden de software een steeds groter probleem.

Transistoren die steeds kleiner worden, worden ook steeds onbetrouwbaarder. Dat is het derde probleem. Een vierde probleem is dat een computersimulatie van een biologisch proces zelfs op de snelste supercomputer typisch een factor honderd tot duizend trager verloopt dan het biologische equivalent. En tenslotte is een supercomputer een onhandig groot bakbeest vergeleken met het compacte menselijke brein van anderhalve liter.

Het overkomen van deze vijf problemen (energie, software, betrouwbaarheid, snelheid en compactheid) is het doel van professor Karlheinz Meier van de Universiteit van Heidelberg in Duitsland. Meier is mededirecteur van het tienjarige Human Brain Project (HBP), een Europees project dat het menselijk brein in groot detail op een supercomputer wil nabootsen. Daarnaast is hij projectleider van het onderzoek binnen het HBP naar een computerarchitectuur die geïnspireerd is op het menselijk brein. Neuromorphic computing heet dit onderzoeksveld, ofwel rekenen met kunstmatige hersencellen. Talloze onderzoeksgroepen in de wereld werken hier aan. De groep van Meier is daarbij een van de koplopers.

“Neuromorphic computing zal nooit het schrijven van e-mails of het invullen van spreadsheets vervangen”, zegt Meier “Maar het draagt de mogelijkheid in zich om veel beter dan de digitale computer te rekenen met onverwachte, vol ruis zittende gegevens en om voorspellingen te maken op basis van een intern model van de buitenwereld.” Dat zijn de dingen die het menselijk brein veel beter kan dan een digitale computer, en waarbij de kunstmatige intelligentie, ondanks de Wet van Moore, nog niet in de buurt is gekomen. 

fruitvlieg

Insectenbrein

Samen met zijn Duitse collega’s heeft Meier een neuromorphic chip gemaakt die het elektronische equivalent is van een netwerk met vierhonderd hersencellen en honderdduizend synapsen (verbindingen tussen hersencellen). Ter vergelijking: het menselijk brein bevat zo’n honderd miljard informatieverwerkende hersencellen en tienduizend keer zoveel synapsen. In het brein maakt elke hersencel gemiddeld gesproken namelijk contact met zo’n tienduizend andere hersencellen.

Meier: “Eenvoudig gezegd bestaat een kunstmatig neuron op een neuromorphic chip uit een condensator en een weerstand die parallel aan elkaar zijn geschakeld. Het gedrag van die kunstmatige hersencel wordt bepaald door de fysische eigenschappen van de schakeling en lijkt op die van een biologische hersencel.” Wat een digitale computer moet berekenen in getallen (op een digitale chip vertaald in schakelingen die aan of uit staan: 0 of 1), komt er in een analoge computer als een continu elektrisch signaal uit.

Verder zijn in een digitale computer het geheugen en de processor gescheiden eenheden. Op een neuromorphic chip is er geen onderscheid tussen geheugen en processor, net zoals dat in het menselijk brein ook niet bestaat. Gebruikers van de chip kunnen elke kunstmatige hersencel met twintig parameters aanpassen. Bovendien kunnen ze elke synaps een ‘gewicht’ meegeven: dat gewicht geeft aan hoe sterk de verbinding tussen twee hersencellen is. Iets soortgelijks gebeurt al veel langer via neurale netwerken die in software worden geprogrammeerd, maar een neuromorphic chip kan veel sneller en zuiniger rekenen dan een neuraal netwerk.

Op een door Meier en zijn collega's gemaakte chip met vierhonderd kunstmatige hersencellen hebben neurowetenschappers eerder dit jaar het reukdetectiesysteem van een insectenbrein nagebootst: het vermogen om geuren te categoriseren en aan verschillende bloemen te schrijven. “Nu we dat voor geuren kunnen, kunnen we dat in principe ook voor andere soorten data”, zegt Meier. “Het is een algemeen biologisch systeem, in tegenstelling tot patroonherkennende software in de digitale wereld, die meestal maar voor een specifieke toepassingen werken, bijvoorbeeld het herkennen van handschriften.” 

brein blauw

Bewustzijn

Aan de Universiteit van Heidelberg is deze enkele chip inmiddels opgeschaald naar een siliciumschijf van twintig centimeter doorsnede met tweehonderdduizend kunstmatige hersencellen en vijftig miljoen synapsen. Maar het einde is nog niet in zicht. Meier: “Binnen het Human Brain Project hebben we ons tot doel gesteld om in oktober van 2015 het grootste elektronische brein ter wereld gereed te hebben: we gaan twintig van deze schijven met elkaar verbinden. Dan hebben we het over vier miljoen hersencellen en een miljard synapsen.”

Meier hoopt dat hij met dit elektronische brein het visuele waarnemingssysteem van de mens kan nabootsen. Dat systeem hebben hersenwetenschappers goed bestudeerd. “Nabootsen van het visuele systeem ligt binnen bereik”, zegt hij, “maar hoe goed of slecht de waarneming wordt, is een open vraag. Misschien blijkt ons model van een hersencel te simpel, en dan moeten we het verfijnen. Het mooie is dat we het werk van onze collega’s, de neurowetenschappers binnen het HBP, kunnen gebruiken om een kloppend model voor een kunstmatige hersencel te maken en om onze netwerken te verbeteren.”

Meier krijgt vaak de vraag of zijn elektronisch brein bewust wordt. “Ik weiger daarover te speculeren”, zegt hij. “Wij bouwen een speelplaats voor neurowetenschappers en informatici. We moeten echt afwachten wat het gaat opleveren wanneer duizend wetenschappers met onze rekenfaciliteit experimenteren.”

In principe kan een digitale computer alles wat een analoge computer ook kan. Maar of de digitale computer dat ook in de praktijk voor elkaar krijgt, daarop weet niemand nog een antwoord. Meier: “Persoonlijk ben ik er van overtuigd dat de digitale computer de massale parallelle informatieverwerking zoals het brein dat doet, niet binnen afzienbare tijd voor elkaar krijgt. De energie die een supercomputer nu nodig heeft om informatie van de ene gesimuleerde hersencel naar de andere gesimuleerde hersencel te sturen is honderdmiljoen maal een miljoen keer zo veel als in onze hersenen. Onze neuromorphic chip heeft daar maar een factor tienduizend keer zoveel energie voor nodig.”

Hersenen van silicium zijn daarom zo gek nog niet.

Digitaal of analoog? Wat maakt het eigenlijk uit? In dit artikel lees je het antwoord.