Reportage

Een chip die werkt als menselijk brein: hoe werkt dat?

Reportage Nanotechnologie

Onderzoekers van de Universiteit Twente hebben een chip ontwikkeld die lijkt te functioneren als het menselijk brein. Maar hoe het precies zit?

Beeld Thinkstock

Ze durven het nog niet hardop te zeggen, maar onderzoekers van de Universiteit Twente hebben een elektrische schakeling ontwikkeld die grote gelijkenis vertoont met de wijze waarop het menselijk brein werkt. Het prototype van hun chip moet in de toekomst energiezuiniger computers mogelijk maken die bovendien beter in staat zijn ingewikkelde taken als gezichtsherkenning uit te voeren. De vinding is gisteren gepubliceerd in Nature Nanotechnology.

Een 'bergje' van ongeveer tweehonderd gouden nanoballetjes van 20 nanometer per stuk, met eromheen een aantal elektroden - veel meer is het niet, de chip die de onderzoekers van het MESA+ Instituut voor Nanotechnologie en het CTIT Instituut voor ICT Onderzoek in Twente hebben gebouwd. Maar het hoopje goudbolletjes blijkt bijzondere eigenschappen te hebben: zodra er spanningspulsjes op twee van de elektroden worden gezet, blijkt aan de andere kant van de chip soms wel en soms geen stroompulsje door te komen.

Booleaanse logica

Door te combineren met spanningen, kan in de chip elke gewenste logische schakeling geconfigureerd worden, ontdekten de onderzoekers. Zulke zogenoemde is een essentiële vaardigheid van elke computerchip. In de schakeling blijken elektronen bij bepaalde configuratiespanningen soms wel over te springen van het ene balletje naar het andere, en bij andere voltages juist weer niet.

'Door te spelen met de configuratiespanningen, kunnen we de stroompaden in het labyrint van nanoballetjes verleggen', zegt hoogleraar nano-elektronica Wilfred van der Wiel in zijn lab in Twente. Hoe deze stroompaden precies lopen, is onbekend. 'Het is daarbinnen een blackbox. Er ligt immers geen ontwerp aan ten grondslag', zegt Van der Wiel. 'We weten alleen wat erin gaat en meten wat eruit komt. Meer is niet nodig.'

De werking van de schakeling lijkt op het menselijk brein, waar neuronen soms pas bij een bepaalde grenswaarde 'vuren' en zo een volgend neuron kunnen activeren. De goudballetjes fungeren als een soort draaihekjes, zegt collega-onderzoeker hoogleraar programmeerbare nanosystemen Hajo Broersma. 'Soms draaien ze en soms staan ze geblokkeerd.'

Vergelijk het met een waterbron bovenop een Oostenrijks berglandschap, zegt Van der Wiel. Het water daaruit stroomt naar beneden. Stel je voor dat je door op knoppen te drukken, delen van het dal al dan niet omhoog en omlaag kunt trekken, dan zal het stroompje steeds anders lopen. Als je maar blijft combineren, zal het stroompje uiteindelijk uitkomen waar je het wilt hebben, ook al heb je misschien geen idee wat er precies gebeurt onderweg.

Evolutie

Sommige combinaties van configuratiespanningen doen het beter dan andere. Soms komt er alleen maar ruis uit de andere kant, en af en toe een zwak signaal dat mogelijk bruikbaar is. 'De goede resultaten bewaar je', zegt Broersma. 'Door daarmee verder te variëren kun je kijken of het resultaat beter wordt.' Soms lukt dat, soms niet, net als in de evolutie.

Dit 'selectieproces' verloopt computergestuurd. Na gemiddeld enkele tientallen minuten proberen, rolt er een bruikbare logische schakeling uit. Hiermee kan een gewone computer worden gebouwd, maar daar is het de onderzoekers niet om te doen. Het idee is juist een computer te bouwen die efficiënter met energie omgaat en die bijvoorbeeld beter in staat is taken uit te voeren waar vertrouwde processors minder goed in zijn, zoals gezichtsherkenning of het nabootsen van ingewikkelde fysische of chemische processen.

'Ons brein heeft een rekenkracht die een factor honderdduizend hoger is dan van de snelste chip, terwijl het energieverbruik vele malen lager is', zegt Van der Wiel. De manier waarop de rekenkracht van huidige chips wordt vergroot, is door de componenten nog kleiner te maken. Maar de industrie stuit daar op harde grenzen: kleiner kan straks niet meer en de snelheid opvoeren door meer energie door een chip te jagen leidt tot een onaanvaardbaar hoog energieverbruik, aldus Van der Wiel. Ook ontstaan op deze kleine schaal makkelijk fouten. Als in een gewone chip één transistor van de honderden miljoenen niet werkt, is hij onbruikbaar. Aan de Twentse chip ligt geen architectuur ten grondslag, dus eventuele fouten zijn geen probleem, omdat de schakeling er zelf 'omheen' werkt.

Neuraal netwerk

Een van de uitdagingen is hoe het systeem kan worden opgeschaald. Als meerdere van de chips in een netwerkje aan elkaar gekoppeld worden, kan wellicht iets ontstaan wat lijkt op hoe ons brein werkt, zegt mede-onderzoeker Celestine Lawrence. Het uiteindelijke doel is met de chips parallelle rekenprocessen mogelijk te maken en zo een neuraal netwerk te creëren.

Zo ver is het nog niet. De nu gebruikte chips werken alleen bij temperaturen die tegen het absolute nulpunt schurken. 'Maar we hopen binnenkort al bij hogere temperaturen te kunnen werken en er zijn geen fundamentele redenen om aan te nemen dat het proces uiteindelijk ook niet bij kamertemperatuur werkt.'

Sander Bohté van de Life Sciences Group van het Amsterdamse Centrum Wiskunde & Informatica, die niet betrokken is bij het onderzoek, spreekt van een fascinerend resultaat. 'Het laat zien hoe van een zeer minimale hoeveelheid ongeordende nanodeeltjes een rekenkundige eenheid kan worden gemaakt.' De uitdaging is volgens Bohté om de enkele schakeling op te schalen naar honderdduizenden. 'Toepassingen liggen nog vrij ver weg, maar dit is zeker veelbelovend op termijn.'

Beeld .
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.