Nieuwe superbouwsteen voor kunstmatig brein
Kunstmatige synaps mogelijk nog efficiënter dan menselijke synaps
De rekenkracht van computers wordt steeds groter, maar in vergelijking met de
menselijke hersenen werken ze nog erg onhandig en onzuinig. Wetenschappers
hebben nu een nieuw bouwsteentje voor een kunstmatig brein ontwikkeld, dat op
dezelfde manier werkt als een synaps in de hersenen, en uiteindelijk zelfs nog
energiezuiniger kan worden. De resultaten van dit onderzoek van Stanford
University staan in het topjournal Nature Materials. De eerste auteur is Yoeri
van de Burgt, die sinds eind vorig jaar aan de TU Eindhoven werkt.
Het basiselement van de huidige micro-elektronica, de transistor, heeft een
aantal nadelen. Hij kent maar twee standen (0 of 1), waardoor er heel veel van
nodig zijn om data op te slaan of te bewerken. Verder moet er continu stroom op
staan, anders gaat de data verloren. En het bewerken en opslaan van data
gebeurt op aparte plaatsen, waardoor de data veel op en neer beweegt, wat tijd
en energie kost.
Objecten herkennen
In de menselijke hersenen werkt het heel anders. Het kleinste element is de
synaps, waarmee de hersenen informatie opslaan. Die synaps kan heel veel
verschillende standen hebben, er hoeft niet continu energie naartoe, en hij zit
bovendien altijd dicht bij de menselijke rekeneenheden; neuronen. De menselijke
hersenen kunnen daardoor heel energie-efficiënt veel informatie tegelijkertijd
verwerken. Iets wat ons in staat stelt om bijvoorbeeld snel te leren en snel
mensen of objecten te herkennen.
Geen stroom nodig
De wetenschap probeert al vele jaren om dit te imiteren, maar de gevonden
oplossingen tot nu toe hebben allemaal haken en ogen. Yoeri van de Burgt en
zijn collega’s hebben nu een geheel nieuw soort basisbouwsteentje voor een
kunstmatig brein ontwikkeld, dat geen van die nadelen heeft. Deze ‘kunstmatige
synaps’ bestaat uit drie lagen en lijkt een beetje op een batterij. De onderste
en bovenste laag zijn dan de twee polen en ertussen zit een elektrolyt. Van de
onderste pool kan de elektrische weerstand telkens worden aangepast. Die
weerstand kan meer dan vijfhonderd waardes aannemen en dat gegeven kan worden
gebruikt voor dataopslag. Het veranderen van de weerstand gebeurt door stroom
te zetten op de bovenste pool. Door een elektrochemisch proces via het
elektrolyt verandert de samenstelling van de onderste pool een beetje, en
daarmee verandert ook de weerstand. Verdwijnt de stroom, dan blijft de
samenstelling en dus de weerstand onveranderd.
Daardoor is geen stroom nodig om informatie vast te houden.
10 picojoule
Er bleek maar 10 picojoule stroom nodig om de kunstmatige synaps naar een
andere stand te brengen. Dat is al energiezuiniger dan state-of-the-art
micro-elektronica, die daar circa 100 picojoule voor nodig heeft. Dat bereikten
ze met een elementje dat 0,001 vierkante millimeter groot is. Doordat de
onderzoekers aantoonden dat het stroomverbruik lineair afneemt met de grootte,
konden ze berekenen dat een exemplaar kleiner dan 0,1 vierkante micrometer, wat
technisch haalbaar is, zelfs energiezuiniger kan worden dan de menselijke
synaps.
Verbinding met hersenen
Ook bijzonder is dat de kunstmatige synaps van goedkope polymeren is gemaakt,
terwijl transistoren gemaakt zijn van het harde materiaal silicium, dat veel
duurder is qua verwerking. Daardoor is het nieuwe element flexibel, wat het
toepassingsgebied vergroot. Verder zijn polymeren organische materialen en
daarmee in principe compatibel met echte hersenen. Daarmee bestaat de
mogelijkheid dat de kunstmatige synapsen ooit gebruikt kunnen worden voor
dataverbindingen met de hersenen.
Potentie
Yoeri van de Burgt wil in Eindhoven doorgaan met zijn onderzoek. Als eerste
stap wil hij een netwerkje bouwen van duizend kunstmatige synapsen of meer. Hij
doet dit in de groep Microsystems van de faculteit Werktuigbouwkunde. Van de
Burgt is nog voorzichtig over de potentie van zijn vinding. De bestaande
micro-elektronicatechnologie is zo ver gevorderd en krachtig, dat het niet voor
de hand ligt dat nieuwe technologie op basis van kunstmatige synapsen dit snel
voorbij streeft. Voorlopig ziet de onderzoeker, die eerder ook aan de TU/e
promoveerde, vooral kansen voor het lokaal herkennen en classificeren van
specifieke objecten die op het eerste gezicht moeilijk te onderscheiden zijn.
Bijvoorbeeld het herkennen van specifieke cellen in biomedische toepassingen.
Het paper ‘A non-volatile organic electrochemical device as a low-voltage
artificial synapse for neuromorphic computing’ is 20 februari verschenen in
Nature Materials (DOI 10.1038/nmat4856). Nature Materials heeft een impact
factor van circa 40 en behoort daarmee tot de absolute top van
wetenschappelijke journals.
---------------------
Als u meer wil weten kunt u contact opnemen met Yoeri van de Burgt op tel. 06
1345 5920, y.b.v.d.burgt@xxxxxx.
---------------------
ir. Ivo Jongsma
Persvoorlichter wetenschap & technologie
0402472110 | 0644420799 | i.l.a.jongsma@xxxxxx
---------------------
Wilt u geen e-mail meer van ons ontvangen, klik hier om uit te schrijven.
