Theoretische basis nodig voor nieuwe computers

Wereldwijd zoeken wetenschappers naar nieuwe materialen voor het bouwen van computerchips die niet bestaan uit de klassieke transistoren, maar uit energiezuinige onderdelen gebaseerd op de hersenen. Maar waar de theoretische basis is voor de klassieke, op transistoren gebaseerde digitale computers solide is, ontbreken de theoretische richtlijnen voor het maken van op het brein gebaseerde computers. En zo’n theorie is absoluut noodzakelijk voor het succesvol ontwikkelen van nieuwe soorten chips, stelt Herbert Jaeger, hoogleraar Computing in Cognitive Materials aan de RUG.

FSE Science Newsroom | René Fransen

Computers maken tot nu toe gebruik van stabiele schakelaars die aan of uit kunnen staan, meestal transistors. Deze digitale computers zijn logische machines, en hun programmering is ook gebaseerd op logisch redeneren. De afgelopen decennia zijn computers steeds krachtiger geworden door verkleining van de transistoren, maar zo langzamerhand hebben die hun ondergrens bereikt. Daarom zoeken wetenschappers naar nieuwe materialen met veelzijdige schakelaars die ook waarden kunnen hebben tussen de digitale 0 en 1.

(Tekst gaat verder onder de illustratie)

Valkuil

Jaeger is onderdeel van CogniGron, het Groningen Cognitive Systems and Materials Center (Groninger centrum voor cognitieve systemen en materialen) dat werkt aan neuromorfe (op de hersenen gebaseerde) computers.  CogniGron brengt verschillende soorten wetenschappers bij elkaar: experimentele materiaalonderzoekers en theoretische modellenbouwers vanuit de wiskunde, computerwetenschap en kunstmatige intelligentie. De nauwe samenwerking met materiaalwetenschappers heeft Jaeger een goed idee gegeven van de uitdagingen die het bedenken van nieuwe materialen om mee te rekenen oplevert. Het maakte hem ook bewust van een valkuil: er is nog geen goede theorie voor het gebruik van niet-digitale natuurkundige effecten in computersystemen.

Ons brein is geen logisch systeem. We kunnen natuurlijk wel logisch redeneren, maar dat is slechts een klein deel van wat ons brein doet. De meeste tijd gaat op aan taken als een hand naar een theekopje brengen, of zwaaien naar een collega in de gang. ‘Veel van de informatieverwerking door onze hersenen bestaat uit dit soort niet-logische handelingen, die continu en dynamisch zijn. Het is lastig dit soort taken te programmeren in een digitale computer’, legt Jaeger uit. Bovendien blijft ons brein werken ondanks veranderingen in bloeddruk, de buitentemperatuur, in hormoonconcentraties enzovoorts. Hoe is het mogelijk een computer te bouwen die net zo veelzijdig en robuust is? Jaeger is daar optimistisch over: ‘Het eenvoudige antwoord is dat ons brein bewijst dat het kan.’

(Tekst gaat verder onder de illustratie)

Neuronen

Dat brein is daarom een inspiratiebron voor materiaalonderzoekers. Jaeger: ‘Zij maken bijvoorbeeld iets van een paar honderd atomen dat oscilleert. Of iets dat periodieke activiteit vertoont. En dan zeggen ze: Dat lijkt op hoe neuronen werken, dus laten we er een neuraal netwerk mee maken.’ Maar ze missen daarvoor belangrijke kennis. ‘Zelfs neurowetenschappers weten niet precies hoe het brein werkt. Daarom is het ontbreken van een theorie voor neuromorfe computers een probleem. En toch lijken de mensen in dit onderzoeksveld dat niet te zien.’

In een artikel dat op 16 augustus verscheen in het tijdschrift Nature Communications presenteren Jaeger en zijn collega’s Beatriz Noheda (wetenschappelijk directeur van CogniGron) en Wilfred G. van der Wiel (Universiteit Twente) een schets van hoe zo’n theorie voor niet-digitale computers er uit zou moeten zien. In plaats van stabiele 0/1 schakelaars zou deze theorie werken met continue, analoge signalen. En hij moet een groot aantal niet-standaard fysische effecten op nanoschaal omvatten die materiaalwetenschappers nu onderzoeken.

(Tekst gaat verder onder de illustratie)

Deeltheorieën

Iets dat Jaeger leerde van zijn contact met die materiaalwetenschapper is dat de schakelingen die ze met de nieuwe materialen maken lastig te bouwen zijn. Jaeger: ‘Wanneer je er honderd van maakt, zullen er geen twee helemaal hetzelfde zijn.’ Dat is overigens net als in onze hersenen, waar de neuronen ook niet identiek zijn aan elkaar. Maar de schakelingen zijn ook kwetsbaar, en temperatuurgevoelig, legt Jaeger uit. ‘Een theorie voor neuromorfe computers met rekening houden met die eigenschappen.’

Een belangrijke observatie is dat een theorie voor neuromorfe computers niet één theorie zal zijn, maar zal bestaan uit allerlei deeltheorieën (zie illustratie onder deze tekst). Jaeger: ‘Dat is net als de theorie voor digitale computers, die bestaat ook uit een gelaagd systeem van deeltheorieën.’ Om zo’n theoretische beschrijving van een neuromorfe computer te realiseren is het nodig dat experimentele materiaalwetenschappers nauw samenwerken met formeel-theoretische modelbouwers. Jaeger: ‘Computerwetenschappers moeten zich bewust zijn van de natuurkundige processen in al die nieuwe materialen, en materiaalwetenschappers moeten kennis hebben van de fundamentele concepten van computers.’

(Tekst gaat verder onder de illustratie)

Blinde vlekken

Het overbruggen van de kloof tussen materiaalwetenschap, neurowetenschap, computerwetenschap en constructietechniek is precies waarom CogniGron is opgericht door de RUG: het brengt deze verschillende groepen wetenschappers bij elkaar. ‘We hebben allemaal onze blinde vlekken’, besluit Jaeger. ‘En het grootste gat in onze kennis is een funderende theorie voor neuromorfe computers. Ons artikel is een poging om te laten zien hoe zijn theorie is te maken, en hoe we een gezamenlijke taal kunnen ontwikkelen.’

Referentie: Herbert Jaeger, Beatriz Noheda & Wilfred G. van der Wiel: Toward a formal theory for computing machines made out of whatever physics offers. Nature Communications, 16 August 2023  https://www.nature.com/articles/s41467-023-40533-1