Een mini-'batterijtje' dat zich gedraagt als een synaps – een van de bouwstenen van het brein – belooft een veel energiezuinigere manier om neurale netwerken te bouwen. Twee Nederlandse onderzoekers rapporteren over hun werk aan Stanford University in vaktijdschrift Nature Materials.
De computerwereld werkt met transistoren en die hebben een paar nadelen. Ze kennen maar twee standen (0 of 1), waardoor je er veel van nodig hebt om data op te slaan of te bewerken. Verder moet er continu stroom op staan, anders gaat de data verloren. En dan gebeurt het bewerken en opslaan van data ook nog eens op verschillende locaties, waardoor de data moet reizen, wat ook weer tijd en energie kost.
Geen wonder dat onderzoekers met grote interesse kijken naar de menselijke hersenen. Die werken heel anders, namelijk met synapsen die informatie opslaan. Zo’n synaps – een kloofje tussen twee neuronen – werkt meestal chemisch. Dat betekent dat hij veel verschillende schakelstanden kan hebben en dat er niet continu energie naartoe hoeft.
(Kunst)matige intelligentie
Om de efficiëntie van het menselijk brein te illustreren: de wereld was vorig jaar danig onder de indruk van het kunstmatig intelligente systeem AlphaGo dat met het spelletje go won van de menselijke wereldkampioen Lee Sedol (lees: ‘Computer verslaat mens met 4-1 bij go’). Maar de computers achter AlphaGo verbruikten megawatts aan stroom, terwijl het energieverbruik van de hersenen wordt geschat op dat van een kleine gloeilamp, 20 W.
‘Dat komt doordat neurale netwerken nu worden gesimuleerd door supercomputers, een inefficiënte manier’, legt dr.ir. Yoeri van de Burgt uit. Hij is eerste auteur van het artikel ‘A non-volatile organic electrochemical device as a low-voltage artificial synapse for neuromorphic computing’ in Nature Materials, samen met Ewout Lubberman MSc. Daarin beschrijven ze hun ontwerp voor een kunstmatige synaps die ze maakten aan Stanford University.
Een soort batterij
De onderzoekers stapelden drie lagen organische materialen op elkaar tot een soort batterij, die ze een electrochemical neuromorphic organic device (ENODe) noemen. De bovenste en de onderste lagen zijn de elektroden, met daartussen de elektrolyt. Tijdens het schrijven in dit geheugenelement worden elektronen onttrokken aan de bovenste laag (zie figuur hieronder). Dat zet weer transport van protonen uit de elektrolyt en uit de onderste laag in gang.
Door dit proces verandert de elektrische weerstand van de onderste laag: de schakelaar schakelt. En niet zoals een transistor, tussen 0 en 1, maar tussen wel vijfhonderd verschillende niveaus. Dit bijna analoge schakelen lijkt al meer op hoe de synapsen in ons brein werken. Die zijn dankzij dit principe in staat om snel nieuwe dingen te leren of patronen te herkennen.
Als de externe schakelaar opengaat (zie de figuur hierboven rechts), wordt de stand van de ENODe vastgelegd. Er lopen dan geen elektronen en protonen meer door de lagen.
Energiezuinig
Het kost slechts 10 pJ (10-12 J) aan energie om de kunstmatige synaps naar een andere stand te brengen (en geen energie om hem daar te houden). Dat is energiezuiniger dan de beste micro-elektronica, die daar ongeveer 100 pJ voor nodig heeft. Hiervoor was een elementje nodig van 0,001 mm2 en als de onderzoekers dit verder zouden verkleinen naar 0,1 µm2 – technisch moet dat haalbaar zijn – zou hun kunstmatige synaps zelfs energiezuiniger worden dan een menselijke.
Goedkope kunststoffen
De kunstmatige synaps is gemaakt van goedkope, commercieel verkrijgbare kunststoffen. Dat zijn materialen die door het lichaam niet worden afgestoten, wat de deur openzet naar toepassingen als brain-computer interfaces, om direct met je hersenen een computer aan te sturen. Daarnaast is het ding flexibel, wat in de toekomst voordelen oplevert bij de productie, die wellicht kan plaatsvinden met het goedkope rol-op-rol-principe.
Vermoeidheid
Op termijn zal de kunstmatige synaps slijtage gaan vertonen, net als een batterij die te vaak is opgeladen en ontladen. ‘Dat is niet te voorkomen’, zegt Van de Burgt. ‘Uiteindelijk zal er vermoeidheid optreden, maar dat lijkt me een technisch probleem dat je kunt oplossen met nieuwe, betere materialen.’
Van de Burgt is inmiddels in dienst gekomen bij de Technische Universiteit Eindhoven, waar hij verder gaat met het onderwerp. ‘We willen met onze synapsen een neuraal netwerkje maken van enkele honderden ENODes. Maar eerst maar eens eentje van 3 x 3 elementen; dat brengt al nieuwe uitdagingen met zich mee.’
Illustraties en foto: Nature Materials, 2017
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.