CogniGron: Een revolutie in toekomstbestendig computergebruik

Als samenleving naderen we de fysieke grenzen van het verbeteren van digitale computers. Om ze te kunnen blijven ontwikkelen, moeten we andere manieren van computergebruik bedenken. Het Groningen Cognitive Systems and Materials Center (CogniGron) van de Rijksuniversiteit Groningen (RUG) loopt voorop in deze revolutie en richt zich daarbij met name op neuromorfisch computergebruik. In dit eerste artikel van de tweedelige CogniGron-serie vertellen Beatriz Noheda, Niels Taatgen en Erika Covi over het menselijk brein als bron van inspiratie bij het ontwikkelen van nog slimmere apparaten.

_{Tekst: Maud Brongers / Foto's: Henk Veenstra}

Wist je dat het menselijk brein slechts zo’n 20 watt verbruikt? Tegenwoordig zijn onze computers ook in staat om ‘menselijke’ taken uit te voeren, zoals beeld-, geluids- of tekstherkenning, maar daar hebben ze dan wel 20.000 watt voor nodig. Ons brein is dus een grote inspiratiebron, zowel voor het vinden van oplossingen voor de enorme energiebehoefte van de huidige datacenters, maar ook in het gebruik van de evolutionair geoptimaliseerde breinprincipes bij het ontwerpen van slimme apparaten. Bij CogniGron bundelen onderzoekers op het gebied van materiaalwetenschappen, kunstmatige intelligentie, wiskunde en computerwetenschappen van over de hele wereld hun krachten om een nieuwe generatie wetenschappers op te leiden en een computerchip te ontwikkelen die 10.000 keer energie-efficiënter is dan de huidige computers.

De architectuur van de hersenen nabootsen

Neuromorfisch computergebruik, geïnspireerd op de manier waarop het menselijk brein informatie verwerkt, biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele digitale computers, met name wanneer het aankomt op energie-efficiëntie, latentie en in sommige toepassingen zelfs privacy. Prof. Beatriz Noheda, wetenschappelijk directeur van CogniGron, benadrukt dat het feit dat het geheugen zich op dezelfde plek in de hersenen bevindt als waar de informatie wordt verwerkt een belangrijke eigenschap is voor het dalen van het energieverbruik. De meeste energie van traditionele computers gaat op aan datatransport; een probleem dat vanwege de architectuur van de hersenen op natuurlijke wijze wordt vermeden.

Prof. Niels Taatgen is hoogleraar Cognitieve Modellering bij de afdeling Kunstmatige Intelligentie van de Rijksuniversiteit Groningen. Bij CogniGron houdt hij zich bezig met het ontwikkelen van AI-systemen. Taatgen legt uit dat neurale netwerken een revolutie teweeg hebben gebracht in AI vanwege hun efficiëntie en superieure prestaties ten opzichte van andere machine learning-technieken. Deze neurale netwerken werken ongeveer hetzelfde als hersencellen: ze clusteren inkomende signalen en geven deze door wanneer een drempelwaarde wordt bereikt. Taatgen voegt eraan toe dat de klassieke computerarchitectuur steunt op een wiskundig fundament dat nu al meer dan zeventig jaar oud is. Dit zou echter wel eens ontoereikend kunnen zijn voor neuromorfisch computergebruik, waarvoor een nieuw theoretisch kader nodig is, en dat gebaseerd moet zijn op verschillende disciplines.

Bij CogniGron kijken onderzoekers naar nieuwe elektronische componenten en algoritmen die neurale verbindingen lokaal kunnen aanpassen, in plaats van te vertrouwen op de bestaande mondiale systemen. Dit onderzoek maakt deel uit van een bredere opzet om een nieuw type computerarchitectuur te ontwerpen dat zowel energiezuinig is als in staat is om AI-taken op een efficiënte manier uit te voeren.

De kwaliteit van leven verbeteren

Taatgen legt uit dat, naast kwantum computergebruik, neuromorfisch computergebruik een veelbelovende nieuwe ontwikkeling in de computerwetenschap is. Omdat de energiebronnen in de wereld beperkt zijn en het steeds moeilijker wordt om computerchips nog kleiner te maken, moeten we onze computers anders gaan bouwen. Hij beschrijft hoe de energie-efficiëntie en privacyaspecten van neuromorfisch computergebruik de maatschappij ten goede zullen komen. Eén manier om privacy te beschermen is om je gegevens op je apparaat te bewaren. Op dit moment vertrouwen we op cloudservers in datacenters over de hele wereld, maar deze nieuwe technologie maakt datacenters overbodig en de gegevens blijven op je apparaat staan. ‘Op deze manier krijgen mensen meer controle over hun eigen technologische apparaten en privacy, omdat hun gegevens niet langer worden gedeeld met grote bedrijven,‘ aldus Taatgen.

Privacy is echter lang niet het enige toepassingsgebied. Universitair docent Cognitieve Apparaten Dr. Erika Covi beschrijft de mogelijke toepassingen voor het werk van CogniGron in de geneeskunde en robotica. Een voorbeeld uit de geneeskunde is de pacemaker die wordt gebruikt om hartritmestoornissen te behandelen. Covi legt uit dat patiënten momenteel elke zes maanden naar de dokter moeten om de pacemaker te laten controleren. Dit ligt niet aan de hardware, maar aan het feit dat mensen ouder worden. Hun fysieke kenmerken veranderen en de pacemaker kan zich niet aanpassen. ‘Als we beschikken over een intelligent systeem dat deze veranderingen kan herkennen en zich eraan kan aanpassen door afwijkingen te detecteren en te bepalen wanneer de pacemaker moet beginnen te werken, hoeft de patiënt nog maar eens in de één of twee jaar naar de dokter. Daar profiteren zowel de patiënt als de arts van,’ aldus Covi. Bovendien zouden medische apparaten met neuromorfische functionaliteiten ook de levensverwachting kunnen verbeteren vanwege de mogelijkheid om vroegtijdige stadia van ziektes op te sporen.

Een gemeenschappelijke taal ontwikkelen

CogniGron onderscheidt zich op het gebied van neuromorfisch computergebruik vanwege de multidisciplinaire aanpak. Noheda geeft een voorbeeld van deze unieke samenwerking: ‘Met zo’n uitdagende combinatie van problemen die we binnen CogniGron onderzoeken, hebben we de allerbeste wetenschappers uit elk veld nodig. We streven ernaar om uitdagende problemen op elk gebied aan te pakken en er tegelijk voor te zorgen dat we door het oplossen van deze problemen bijdragen aan het oplossen van de bredere uitdagingen waar CogniGron aan werkt. Dit is echter heel lastig als bijvoorbeeld een wiskundige niets afweet van informatica of AI.’

CogniGron heeft daar een passende oplossing voor gevonden door parallelle PhD-projecten te laten begeleiden door wetenschappers uit verschillende disciplines. In tegenstelling tot de meeste multidisciplinaire programma’s heeft elke promovendus een begeleider uit zijn eigen vakgebied, waardoor ze dezelfde wetenschappelijke taal spreken en zich zo goed mogelijk in het voorliggende probleem kunnen verdiepen. Deze promovendi werken samen aan hetzelfde project met promovendi uit de andere disciplines. ‘Door samen te werken, ontwikkelen de studenten een gemeenschappelijke taal en gedeelde kennis, en helpen ze de taalkloof te dichten die bestaat tussen de begeleiders,’ zegt wetenschappelijk directeur Noheda. ‘De volgende droom is om een toekomstbestendige computercampus te creëren, waar fundamenteel onderzoek en toepassingen naast elkaar bestaan, zodat we neuromorfische computers van a tot z kunnen testen.’

Covi zelf is ook overtuigd van deze multidisciplinaire aanpak. Ze koos voor een academische carrière omdat ze een verschil wilde maken: ‘Een verschil maken, is wat mij betreft op twee manieren te realiseren: door onderzoek en door onderwijs. Mijn kennisgebied was van oorsprong nogal verticaal; mensen specialiseerden zich in iets en werden absolute experts binnen zeer specifieke gebieden. Tegenwoordig is dat niet meer mogelijk, omdat de technologie zich verder heeft ontwikkeld en deze overal is doorgedrongen. Als we iets goed willen doen, moeten we met elkaar praten. Daarvoor moeten we mensen uit verschillende vakgebieden zo opleiden dat ze elkaar begrijpen. Je kunt de toekomst veranderen door de mentaliteit te veranderen,’ besluit ze.

Praktische toepassingen

In het volgende artikel zullen we ingaan op de eerste spin-off activiteiten en praktische toepassingen die zijn ontwikkeld door CogniGron. Prof. Tamalika Banerjee zal onder andere vertellen over de volgende stap in de implementatie van neuromorfisch computergebruik met de start-up IMChip.

CogniGron is opgericht dankzij ruime steun van het Ubbo Emmius Fonds (UEF).

Meer informatie

• Beatriz Noheda
• Niels Taatgen
• Erika Covi