CogniGron al twee jaar op weg naar ‘menselijke’ computer

De computer: de machtige machine van weleer loopt tegen zijn grenzen aan. Onderzoekers van de RUG, verenigd in het centrum CogniGron, werken daarom aan de computer van de toekomst. Na twee jaar maakt Beatriz Noheda, directeur van CogniGron, de balans op. Een nieuwe superrekenaar laat natuurlijk nog wel even op zich wachten, maar CogniGron heeft al veel bereikt.

^{Tekst: Eelco Salverda, afd. Communicatie RUG}

De computer van de toekomst: het is bijna een heilige graal geworden, waar onderzoekers wereldwijd mee bezig zijn. Ook Noheda, hoogleraar Functionele Nanomaterialen aan de RUG, en collega’s bij materiaalwetenschappen, natuurkunde, wiskunde, informatica en kunstmatige intelligentie werken aan nieuwe materialen voor de toekomstige generatie computers, geïnspireerd op de werking van het menselijke brein. De huidige generatie loopt tegen de grenzen van zijn kunnen aan. ‘Om te kunnen omgaan met de enorme hoeveelheden data die de digitale wereld genereert, moet de manier waarop computers werken veranderen,’ legt Noheda uit. ‘Ze kunnen niet efficiënt omgaan met “big data” en verbruiken daardoor onder andere veel energie. Wij moeten dus een keuze maken welke data computers verwerken. Dit kan en moet duurzamer, zodat alle informatie uit de beschikbare data kan worden gehaald.’

Onbenutte data

Noheda noemt een aantal voorbeelden van data die nu niet worden benut. ‘Je kunt denken aan medische data. Zo kan het in kaart brengen van de symptomen die patiënten over de hele wereld hebben gemeld ziekten helpen voorkomen. Of seismografische data wereldwijd samenbrengen om beter inzicht te krijgen in mogelijke aardbevingen. Of neem ‘the internet of things’. We praten al tien jaar over een koelkast die zelf doorgeeft aan de supermarkt dat de melk op is. Die ontwikkelingen staan stil, want het huidige computerontwerp is niet geschikt om veel data te verwerken.’ Maar dat kan anders. Want ook al is de computer een betere schaakspeler dan de mens geworden, in sommige dingen zijn mensen toch beter.

Het brein als voorbeeld

De huidige computer stuurt elke bit informatie van transistor naar transistor. Stap voor stap. Het menselijke brein verwerkt juist veel gegevens in één keer, in een parallelle verwerking. ‘Neem deze kamer,’ illustreert Noheda. ‘Als we hier zitten, weet jij meteen waar je op moet focussen. Je kijkt naar mij en besteedt geen aandacht en energie aan de informatie over bijvoorbeeld vloerbedekking en stoelen, die je brein ook binnenkrijgt. Wij kunnen prioriteren in een milliseconde. Dat komt doordat de neuronen, onze hersencellen, duizenden onderlinge verbindingen hebben en daardoor parallelle netwerkjes vormen. Hersencellen verwerken informatie, maar kunnen tegelijkertijd ook die informatie opslaan, als een geheugen. Computers gebruiken twee aparte systemen om deze twee taken uit te voeren. Dit maakt ons brein mega-energiezuinig. Een computer die zó werkt, dat zou echt een gamechanger zijn.’ Wetenschappelijk coördinator Jasper van der Velde, ook aangeschoven, vat het treffend samen. ‘Om de mens te ontlasten hebben we ooit iets gemaakt wat niet op de mens lijkt. Nu gaan we terug naar de tekentafel, met de mens als voorbeeld.’

Op zoek naar het ideale materiaal

Daarvoor zijn nieuwe materialen, elektronische circuits en systemen nodig, waarmee je de functie en de samenhang van neuronen kunt nabootsen. Dat is niet zoeken naar een speld in een hooiberg, maar gemakkelijk is het ook niet. ‘We hebben bij ons Zernike Institute for Advanced Materials (ZIAM) zo’n zes onderzoeksgroepen die ieder twee of drie materialen bestuderen die hier wellicht geschikt voor zijn,’ vertelt Noheda. ‘Er zijn veel eigenschappen waar zo’n materiaal aan moet voldoen - en dan moet je ook nog rekeninghouden met de duurzame beschikbaarheid ervan.’

Unieke samenwerking

‘Wij realiseerden ons: wat wij willen kan niet gedaan worden door één vakgebied,’ vervolgt Noheda. Waar op veel plekken onderzoek naar nieuwe computers plaatsvindt vanuit één discipline, ontstond aan de RUG een unieke samenwerking tussen de materiaalwetenschappers van het Zernike Institute en het Bernoulli Institute for Mathematics, Computer Science and Artificial Intelligence. ‘De informatici moeten ons vertellen wat er precies nodig is. De wiskundigen maken modellen van de eigenschappen, die op hun beurt weer door de natuurkundigen in hun laboratoria worden getoetst op de nieuwe materialen. Onderzoekers bij kunstmatige intelligentie leggen uit wat de nieuwe hardware moet kunnen. Want we zouden veel meer met algoritmes uit de kunstmatige intelligentie kunnen doen, alleen is de huidige computer daar niet voor gebouwd.’ Die ooit zo moderne, handige computer is een knellende jas geworden.

Twee vruchtbare jaren

CogniGron loopt nu zo’n tweeëneenhalf jaar. Wat is de tussenbalans? ‘Ja, superpositief,’ straalt Noheda. ‘Er werken nu meer dan dertig hoogleraren in CogniGron. We hebben tien nieuwe hoogleraren aan weten te trekken. Zij komen hier omdat ze enthousiast zijn over onze visie. Zij brengen op hun beurt weer wereldwijde contacten mee. Het zijn kennismagneten.’ En dan is er nog de net aangeschafte transmissie-elektronenmicroscoop (TEM), ook al een paradepaardje. Deze microscoop, waarvan er slechts een stuk of tien op de wereld zijn, kan op het niveau van atomen materialen bestuderen. ‘Heel belangrijk voor ons,’ beklemtoont Van der Velde, ‘want je moet eerst weten hoe een materiaal werkt voor je het kunt controleren en iets voor je kunt laten doen.’ Ten slotte heeft CogniGron zo’n tien belangrijke artikelen gepubliceerd in hoog aangeschreven vakbladen.
(Lees verder onder de video)

Elkaar leren verstaan

De eerste jaren is ook veel tijd geïnvesteerd in begrip en vertrouwen, legt Noheda uit. ‘Als je met vier disciplines samenwerkt moet je veel brainstormen en overleggen. Wat doen wij, wat kunnen we voor elkaar betekenen? Alleen zo kun je kracht van de disciplines effectief combineren.’ Noheda en haar collega’s zetelen in Nijenborgh 4, het natuurkunde- en scheikundegebouw. Eén gebouw verder: de informatici, wiskundigen en onderzoekers kunstmatige intelligentie. Het aantal stappen is niet groot, maar de afstand is figuurlijk soms hemelsbreed. ‘Elke discipline werkt anders. Het is ook een begripsbarrière,’ vertelt Van der Velde. ‘Je moet elkaars taal leren spreken.’ Maar het is gelukt. Een visie en gezamenlijk doel slechten muren en barrières. ‘Uiteindelijk word je rijker van elkaars ervaring,’ zegt Noheda. ‘En het is ook gezond om even naar de overkant te lopen,’ lacht ze.

Nieuwe generatie wetenschappers

Om te kunnen samenwerken moet je uit je comfortzone stappen. Dat is soms moeilijk en altijd tijdrovend. Niet iedereen kan die flexibiliteit opbrengen. Alle nieuwe hoogleraren zijn daarom ook aangesteld op de snijvlakken van vakgebieden, hebben kennis van twee werelden. Wat dat betreft verwacht Noheda ook veel van de promovendi bij CogniGron, die nu opgroeien in een multidisciplinaire omgeving. ‘We merken het ook aan sommige van onze bachelor- en masterstudenten. Die vinden het leuker om breder orderwijs te krijgen, zoals wiskunde én natuurkunde, of wiskunde én informatica. CogniGron is precies wat ik zocht, zeggen die.’
(Lees verder onder de foto)

Experimenteren

Fundamenteel onderzoek, maar wel met een praktisch doel voor ogen - is dat een goede omschrijving van Noheda’s werk? ‘Ja, klopt,’ knikt ze, ‘al is die computer er nog lang niet. Nee, dat is niet frustrerend. Het gaat ook om het leren op de weg daar naartoe. Na zes maanden zagen we al dat we dichterbij kwamen. Elke stap in de goede richting maakt je blij.’ HP, IBM, Intel; ze volgen CogniGron met interesse. Uiteindelijk moeten zij de computers produceren. ‘We hebben veel contact met zulke bedrijven. Maar zij kunnen niet onbeperkt onderzoek doen. Een bedrijf moet verdienen en verkopen. Wetenschappers kunnen meer proberen, een sprong in het diepe wagen.’ Het is de echo van de woorden van Nobelprijswinnaar Feringa: ‘Let universities be playgrounds’. ‘Onze mindset is ook ruimer,’ vult Van der Velde aan. ‘Sommige materialen hebben hun functionaliteit bij extremere temperaturen. Een bedrijf zal zoiets niet onderzoeken, die temperatuur is te hoog voor de commerciële doeleinden. Wij doen dat wel. En als het materiaal blijkt te werken, zoeken we naar een bewerkbaarheid bij toegankelijker temperaturen.’

Trendsetter

Het multidisciplinaire karakter van CogniGron kent ook een nadeel. De onderzoeksresultaten komen langzamer binnen en zijn soms moeilijk te publiceren in vaktijdschriften, die het te ver buiten hun reikwijdte vinden liggen. Maar ook die horde wordt genomen. Want sinds kort is er een nieuw tijdschrift: Neuromorphic computing and engineering. Drie onderzoekers van CogniGron zijn nauw bij het tijdschrift betrokken. Het illustreert de verandering in de academische wereld. En misschien ook wel hoe trendsettend CogniGron is.

Meer informatie

• CogniGron (Groningen Cognitive Systems and Materials Center)
• Beatriz Noheda Directeur CogniGron
• Jasper van der Velde, Wetenschappelijk coördinator CogniGron
• Video Beatriz Noheda
• Nieuwe microscoop geeft unieke blik op atomaire structuur van materialen (met video)
• Een stap dichterbij een computerbrein
• Combinatiemateriaal levert nieuwe inzichten op voor op brein gebaseerde computer