'Systemen verbruiken miljoenen keren meer energie dan nodig'

Spinozapremiewinnaar Theo Rasing in Nijmegen gooit het roer om. Lang droeg de fysicus bij aan steeds snellere chips, nu denkt hij: het energieverbruik is veel te hoog. Dus daar gaat hij wat aan doen.

Theo Rasing. Beeld Marcel van den Bergh/de Volkskrant

Acht jaar geleden kreeg natuurkundige Theo Rasing van de Radboud Universiteit de hoogste onderscheiding in de Nederlandse wetenschappen, een Spinozapremie van 1,5 miljoen. Voor zijn baanbrekende onderzoek naar mogelijkheden om met licht razendsnel magnetische materialen om te polen.

Een revolutionair idee dat van grote betekenis kon zijn voor de explosief groeiende behoefte aan almaar meer opslag van digitale data. Gewaagd, want lang niet iedereen geloofde erin. 'Ook de experts niet.' Maar zijn fysische intuïtie klopte, zoals wel vaker. Reeksen researchartikelen in topbladen scoorden de Nijmeegse fysici en industriële belangstelling was er te over. Met schakeltijden van femtoseconden is Rasing wereldkampioen bits omzetten van 1 naar 0 en terug.

En toch, zegt Rasing tussen twee internationale dienstreizen door even op zijn lab, heeft hij zich gerealiseerd dat het allemaal anders moet. Jarenlang was hij verwikkeld in een race om steeds hogere schakelsnelheid en steeds kleinere schakelaars. 'Ik ben me gaan realiseren dat we iets helemaal verkeerd doen. Snelheid en capaciteit zijn de beperkingen niet. De systemen verbruiken vooral miljoenen keren meer energie dan fysisch nodig is. Daar zit het echte probleem, vooral ook omdat de hoeveelheid data die we met zijn allen werelwijd produceren jaarlijks met zo'n 40 procent groeit.'

Nu al, zegt hij, verbruiken datacentra 5 procent van alle elektriciteit op aarde. Met een groei van 7 procent per jaar is dat binnen twee decennia afgelopen, dan is het op. En daarenboven is er het wankelende klimaat, dat niet meer maar mínder energieverbruik nodig heeft.

Het probleem van de energievretende digitale wereld, hij kan er van wakker liggen. Nog niet eens zozeer als bezorgde wereldburger met een klimaatprobleem, ook hij heeft zijn laptop en mobiel en tablet en kan niet zonder. Nee, er is vooral de wetenschappelijke uitdaging die hem niet loslaat. Waar het op neerkomt is dat er in de chip-industrie stilzwijgend een eind is gekomen aan de befaamde wet van Moore, die zegt dat het aantal transistoren op een chip elke anderhalf jaar verdubbelt, en daarmee de kloksnelheid van de elektronica ook. Decennia was dat zo, nu niet meer.

Wat verbruikt één Google search?

De coole wereld van het internet is een energievreter. Veelgehoord is de bewering dat één zoekopdracht op Google evenveel energie aan servers en dataverkeer verbruikt als het kost om een ketel water te koken. Dat klinkt goed, maar is onzin. Uit officiële cijfers van Google zelf blijkt dat er ongeveer 30 searches gaan in de energie die een ketel kokend water vergt. Een auto kan ongeveer een kilometer rijden op duizend Google searches. Met 3,6 miljard zoekopdrachten per dag wereldwijd is dat natuurlijk toch niet niks. Driekwart miljard ton CO2, ook volgens Google. Dag in dag uit.

Rasing: 'Het einde van Moores wet is niet omdat de mensen van ASML geen kleinere schakelingen meer zouden kunnen maken, dat kan nog best. Het probleem zit in de oververhitting door lekstromen. Meer dan de helft van de power in elke transistor op een chip wordt nu al omgezet in warmte. De industrie heeft het er niet zo over, maar de kloksnelheid van chips is de laatste jaren constant gebleven omdat de boel anders gewoon zou doorbranden.'

Rasing maakte nieuwe sommen en kwam tot een ontnuchterende conclusie: bits vergen tien tot honderd miljard keer meer energie dan fysisch strikt noodzakelijk is. 'Tien, elf ordes van grootte zitten we ernaast. Iets soortgelijks geldt voor de opslag van data. We doen, kortom, met onze bestaande technologie echt iets verschikkelijk fout.'

En dat terwijl we elke dag om ons heen zien hoe het ook kan, besefte Rasing: in de natuur. In de mens om precies te zijn. 'Als je uitrekent wat er elk moment van de dag gaande is in onze hersenen, dan is dat vergelijkbaar met het werk van een forse supercomputer. Digitaal heeft zo'n machine een vermogen van 10 Megawatt. Ons brein doet hetzelfde met ongeveer 10 watt. Daar moet iets van te leren zijn.'

De Nijmeegse fysicus ging langs bij de Nijmeegse neurowetenschapper Peter Hagoort, nog een Spinozaprijswinnaar, en legde hem de vraag voor hoe het brein zo energiezuinig kan zijn. Omdat, luidt het algemene antwoord, een computer voortdurend informatie rondpompt tussen processoren en geheugen. In de hersenen, heeft Rasing beseft, wemelt het van de elektrische signalen maar zijn processor en geheugen één. 'Het is een netwerk dat tegelijk rekent en verbindingen sterker en zwakker kan maken, waardoor het een geheugen wordt. Zoiets moeten we ook in onze technologie zien te gebruiken.' Punt van zorg is wel de snelheid. Het menselijk brein is superzuinig, maar ook niet erg snel. Een zuinige computer het liefst wel. Niet uitgesloten, schat Rasing.

Aan hem de taak, heeft hij besloten, om materialen te vinden waarin dat soort integratie van processor en geheugen te bereiken is, materialen die 'kunnen leren'. De Nijmeegse hoogleraar heeft binnen en buiten Nijmegen een aantal specialisten verzameld met wie hij maandelijks brainstormt. Daar zijn hersenwetenschappers bij als Hagoort en Bert Kappen, maar ook een theoretisch fysicus als Mikhail Katsnelson, alweer een Spinozaprijswinnaar te Nijmegen en materiaalwetenschappers zoals Dave Blank en Guus Rijnders uit Twente.

Daarnaast merkt Rasing dat het thema wetenschappelijk in de lucht begint te hangen, zoals ooit zijn lichtgeschakelde bits dat ook deden. Neuromorphic computing heet het nieuwe vakgebied, waarin onder meer topwetenschappers van IBM erg actief zijn. Zelflerende software bestaat al (daarmee heeft een computer de wereldkampioen Go verslagen), de uitdaging is om zelflerende hardware te ontwikkelen, geïnspireerd op de gedistribueerde manier van werken zoals het brein dat doet.

Rasing is nu 63 en voelt zich fitter dan in tijden. 'Er is, vergeef me de woordspeling, heel veel energie vrijgekomen voor deze nieuwe ideeën', zegt hij. Zijn hoop is binnen enkele jaren een factor duizend zuiniger bits te ontwikkelen, vermoedelijk met behulp van het optisch schakelen van bits. In eerste instantie misschien toch alleen voor geheugens, dan is aan die stokende datacentra alvast wat te doen. En binnen een jaar of tien een totaal andere micro-elektronica, de echte revolutie, tien ordes van grootte zuiniger dan nu, met behulp van een totaal verschillende architectuur en met nieuwe materialen zoals grafeen of andere tweedimensionale materialen. Rasing: 'De vorige decaan en rector hier in Nijmegen hebben me verzekerd dat ik niet met pensioen hoef, ook als de wet dat wel vereist. Dit is geen bevlieging van een man die op het eind van zijn carrière nog even de wereld wil redden, dit is een logische stap. Het moet gewoon gebeuren.'

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright@volkskrant.nl.