Kunstmatige synaps, transistor memristor

Al tientallen jaren proberen ingenieurs het brein na te bootsen in een poging om computers nog sneller en zuiniger te maken. Yoeri van de Burgt (TU Eindhoven) bouwde met onderzoekers van Stanford University een breindeeltje na dat energie-efficiënter is dan de biologische variant. In tijden van big data en grote netwerken, die meer rekenkracht vereisen, is deze uitvinding zeer interessant.

Zelfs met 130 biljoen berekeningen per seconde en een gewicht van 150 ton kan de snelste computer ter wereld (de Chinese supercomputer Sunway TaihuLight) op sommige gebieden nog altijd niet op tegen de snelheid van ons brein. Computers kunnen dus nog wat van de hersenen leren.

Het onderzoek van Van de Burgt en zijn collega’s zou een stapje in die richting kunnen zijn. Ze maakten een kunstmatige variant van de synaps. Synapsen zijn plaatsen waar twee zenuwcellen in ons lichaam met elkaar communiceren. In onze hersenen vormen ze samen de bouwsteentjes van ons geheugen.* En de zenuwcellen bepalen hoeveel info er bij de synaps binnenkomt.

Synapsen en zenuwcellen vervullen in het brein dezelfde functie als geheugen en processors in computers. Maar terwijl synapsen en zenuwcellen dicht op elkaar zitten, zitten in een computer het geheugen en de processor apart van elkaar. In computers moet informatie dus voortdurend over grotere afstand uitgewisseld worden, en dat kost tijd en energie. Dat probleem is met de kunstmatige synaps al opgelost.

Van twee naar minstens vijfhonderd verschillende standen

Traditionele processoren uit computers hebben ook slechts twee standen. Oftewel staan ze aan, oftewel staan ze uit (1 of 0). Een biologische synaps kan echter oneindig veel verschillende standen hebben. En dat is nuttig, want hoe meer standen je hebt, hoe meer berekeningen per seconde je kunt maken, en hoe meer info je kunt verwerken. De kunstmatige synaps kan net als een organische synaps verschillende standen aannemen: wel minstens vijfhonderd.

Bovendien heeft hij tien keer minder stroom nodig dan een processor uit een normale computer. En hoe minder stroom een processor nodig heeft, hoe kleiner en dus energie-efficiënter je hem kunt maken. Volgens Van de Burgt zou deze kunstmatige synaps in theorie zelfs kleiner kunnen worden dan een tiende vierkante micrometer. En bij die grootte zou hij zelfs efficiënter zijn dan een menselijke synaps.

Lonken Google en Facebook?

In een tijd waarin kunstmatige neurale netwerken van internetgiganten en financiële markten steeds belangrijker worden, zou de kunstmatige synaps een zeer waardevol alternatief kunnen zijn voor traditionele neurale netwerken, die nog met enen en nullen werken.

Is er een kans dat Google, Apple of Facebook de uitvinding van de synaps zouden overkopen? “Je weet het natuurlijk nooit”, zegt Van de Burgt. “Maar we moeten niet te hard van stapel lopen. We hebben nu slechts één exemplaar gecreëerd dat ook nog eens niet gebaseerd is op het gebruikelijke materiaal silicium. We zullen er meerdere moeten maken en kijken hoe goed ze als netwerk functioneren.”

Yoeri van de Burgt et al.; A non-volatile organic electrochemical device as a low-voltage artificial synapse for neuromorphic computing; Nature Materials, 20 februari 2017.

* De sterkte van de verbinding tussen synapsen vormt de sleutel voor het leren. Wanneer er veel elektrische signalen via een zenuwcel bij de synaps aankomen, dan wordt de verbinding tussen de twee cellen sterker en efficiënter. Als we ze niet verder gebruiken, verzwakt de verbinding weer. De kunstmatige synaps heeft die zwakte niet.