17 okt 2023 (Nanowerk Nieuws) Er is een intense, wereldwijde zoektocht naar nieuwe materialen om computermicrochips mee te bouwen die niet op klassiekers zijn gebaseerd transistoren maar op veel energiebesparende, hersenachtige componenten. Hoewel de theoretische basis voor klassieke, op transistors gebaseerde digitale computers solide is, bestaan ​​er echter geen echte theoretische richtlijnen voor het creëren van hersenachtige computers. Een dergelijke theorie zou absoluut noodzakelijk zijn om de inspanningen die nodig zijn om nieuwe soorten microchips te ontwikkelen op vaste grond te krijgen, betoogt Herbert Jaeger, hoogleraar Computing in Cognitive Materials aan de Rijksuniversiteit Groningen.

Key Takeaways

Wetenschappers over de hele wereld zijn op zoek naar nieuwe materialen om energiebesparende, hersenachtige computermicrochips te bouwen, nu de klassieke transistorminiaturisatie zijn fysieke limiet bereikt.

Theoretische richtlijnen voor hersenachtige computers ontbreken, waardoor het cruciaal is voor vooruitgang in het veld.

De veelzijdigheid en robuustheid van het brein dienen als inspiratiebron, ondanks de beperkte kennis over de exacte werking ervan.

Een recent artikel suggereert dat een theorie voor niet-digitale computers zich moet concentreren op continue, analoge signalen en rekening moet houden met de kenmerken van nieuwe materialen.

Het overbruggen van de kloof tussen diverse wetenschappelijke velden is van cruciaal belang voor het ontwikkelen van een fundamentele theorie voor neuromorfisch computergebruik.

Een algemene theorie van fysieke computersystemen zou bestaande theorieën als speciale gevallen omvatten. (Figuur overgenomen uit een uitgebreide versie van het Nature Comm-artikel over arXiv)

Het Onderzoek

Computers hebben tot nu toe vertrouwd op 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. Decennia lang zijn computers krachtiger geworden door verdere miniaturisering van de transistors, maar dit proces nadert nu een fysieke limiet. Daarom werken wetenschappers aan het vinden van nieuwe materialen om veelzijdiger schakelaars te maken, die meer waarden kunnen gebruiken dan alleen de digitale waarden 0 of 1.

Gevaarlijke valkuil

Jaeger maakt deel uit van het Groningen Cognitive Systems and Materials Centre (CogniGron), dat zich wil ontwikkelen neuromorfe (dwz hersenachtige) computers. CogniGron brengt wetenschappers samen met heel verschillende benaderingen: experimentele materiaalwetenschappers en theoretische modelbouwers uit uiteenlopende vakgebieden als wiskunde, informatica en AI. Door nauw samen te werken met materiaalwetenschappers heeft Jaeger een goed beeld gekregen van de uitdagingen waarmee zij worden geconfronteerd bij het bedenken van nieuwe computermaterialen, terwijl het hem ook bewust heeft gemaakt van een gevaarlijke valkuil: er bestaat geen gevestigde theorie voor het gebruik van niet- digitale fysieke effecten in computersystemen. Ons brein is geen logisch systeem. We kunnen logisch redeneren, maar dat is slechts een klein deel van wat onze hersenen doen. Meestal moet het lukken om een ​​hand naar een theekopje te brengen of naar een collega te zwaaien als hij hem in de gang tegenkomt. 'Een groot deel van de informatieverwerking die onze hersenen doen, is niet-logisch, en is continu en dynamisch. Het is lastig om dit in een digitale computer te formaliseren', legt Jaeger uit. Bovendien blijven onze hersenen werken ondanks schommelingen in de bloeddruk, de buitentemperatuur of de hormoonbalans, enzovoort. Hoe is het mogelijk om een ​​computer te maken die zo veelzijdig en robuust is? Jaeger is optimistisch: 'Het simpele antwoord is: het brein is het principebewijs dat het kan.'

neuronen

Het brein is daarom een ​​inspiratiebron voor materiaalwetenschappers. Jaeger: 'Ze kunnen iets produceren dat uit een paar honderd atomen bestaat en dat gaat oscilleren, of iets dat uitbarstingen van activiteit vertoont. En ze zullen zeggen: “Dat lijkt op hoe neuronen werken, dus laten we een neuraal netwerk bouwen”.' Maar ze missen hier een essentieel stukje kennis. 'Zelfs neurowetenschappers weten niet precies hoe de hersenen werken. Dit is waar het ontbreken van een theorie voor neuromorfe computers problematisch is. Toch lijkt het veld dit niet te zien.' In een artikel gepubliceerd in Nature Communications (“Op weg naar een formele theorie voor computermachines, gemaakt op basis van wat de natuurkunde te bieden heeft”), presenteren Jaeger en zijn collega's Beatriz Noheda (wetenschappelijk directeur van CogniGron) en Wilfred G. van der Wiel (Universiteit Twente) een schets van hoe een theorie voor niet-digitale computers eruit zou kunnen zien. Ze stellen voor dat de theorie in plaats van stabiele 0/1-schakelaars zou moeten werken met continue, analoge signalen. Het moet ook ruimte bieden aan de rijkdom aan niet-standaard fysieke effecten op nanoschaal die de materiaalwetenschappers onderzoeken.

Sub-theorieën

Iets anders dat Jaeger heeft geleerd door naar materiaalwetenschappers te luisteren, is dat apparaten uit deze nieuwe materialen moeilijk te construeren zijn. Jaeger: 'Als je er honderd maakt, zijn ze niet allemaal identiek.' Dit lijkt eigenlijk heel op de hersenen, omdat onze neuronen ook niet allemaal precies identiek zijn. Een ander mogelijk probleem is dat de apparaten vaak broos en temperatuurgevoelig zijn, vervolgt Jaeger. 'Elke theorie voor neuromorfisch computergebruik zou met dergelijke kenmerken rekening moeten houden.' Belangrijk is dat een theorie die ten grondslag ligt aan neuromorphic computing niet één enkele theorie zal zijn, maar zal worden opgebouwd uit vele subtheorieën (zie afbeelding hieronder). Jaeger: 'Dit is eigenlijk ook hoe de digitale computertheorie werkt, het is een gelaagd systeem van onderling verbonden subtheorieën.' Het creëren van een dergelijke theoretische beschrijving van neuromorfe computers zal een nauwe samenwerking vereisen van experimentele materiaalwetenschappers en formele theoretische modelbouwers. Jaeger: 'Computerwetenschappers moeten zich bewust zijn van de fysica van al deze nieuwe materialen en materiaalwetenschappers moeten zich bewust zijn van de fundamentele concepten in de computerwereld.'

Blinde vlekken

Het overbruggen van deze kloof tussen materiaalkunde, neurowetenschappen, informatica en techniek is precies waarom CogniGron is opgericht aan de Rijksuniversiteit Groningen: het brengt deze verschillende groepen bij elkaar. 'We hebben allemaal onze blinde vlekken', besluit Jaeger. 'En het grootste hiaat in onze kennis is een fundamentele theorie voor neuromorfisch computergebruik. Ons artikel is een eerste poging om aan te geven hoe zo'n theorie kan worden geconstrueerd en hoe we een gemeenschappelijke taal kunnen creëren.'

• Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
• PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
• PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
• PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
• Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
• Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=63871.php