Nieuwe ‘non-von Neumann’-architecturen voor computers nemen steeds vastere – en meer bruikbare – vormen aan, zoals IBM met zijn ‘brein’-chip aantoont.

Het belangrijkste verschil tussen de hersenen van een mens en een hedendaagse computer – op het zelfprogrammerend vermogen van de hersenen en het gebruik van silicium in de computer na… – is dat het menselijk brein continu en op een massief parallelle wijze meerdere processen heeft lopen en ondersteunt. Praten, wandelen, allerlei zaken doordenken, de werking van het lichaam in stand houden… je doet het naadloos allemaal tegelijkertijd. Ook een computer kan multitasken, maar de instructies voor elke taak worden wel – ongeacht meerdere pipelines in een processor, superscalaire verwerking e.d. – in wezen sequentieel, op z’n ‘von Neumann’s’ uitgevoerd. Het lichaam daarentegen verwerkt dat alles met een ontzaglijk groot aantal hersencellen – neuronen (gemiddeld 86 miljard stuks) – die een nog veel groter aantal onderlinge verbindingen kunnen aangaan (synapsen). Het zijn groepen van dergelijke communicerende cellen die de verschillende taken op parallelle wijze uitvoeren, en dat op een bijzonder energiezuinige wijze, oftewel ongeveer 20 watt.

IN SILICIUM

Pogingen om in silicium hersenen na te bootsen zijn niet nieuw. Zo was er ooit de Transputer-processor (oorspronkelijk van het Britse Inmos) die bestemd was voor de bouw van grote parallel werkende systemen, onder meer door geoptimaliseerde communicatie tussen de processoren. Uiteindelijk was het niet zo’n groot succes, maar wel een inspiratiebron voor nieuwe denkpistes. Al vroeg werden eerste pogingen gedaan om een ‘brein’ op een chip te creëren, maar met moeizame successen.

In 2011 stelde het IBM Almaden research lab, in samenwerking met de Cornell University echter een digitaal neurosynaptisch prototype voor dat zich onderscheidde van voorgaande pogingen door het integreren van ‘crossbar’-geheugen in het neuronen-deel. Hierdoor kon een hoge densiteit van synapsen (verbindingen) worden bekomen zonder naar geheugen buiten de chip te moeten gaan, met real-time performantie. Tevens kon de ‘spike’-communicatie tussen de neuronen uiterst stroomzuinig verlopen. En bovendien bood het ontwerp heel wat doorgroeimogelijkheden.

TRUENORTH

De voorstelling van de TrueNorth chip – een samenwerking tussen IBM en Cornell University – luidt nu een nieuwe fase in de ontwikkeling in. De chip telt 5,4 miljard transistors (uitgevoerd in 28 nm technologie en voor IBM gebakken door Samsung Electronics), waarmee op de chip een miljoen programmeerbare neuronen en 256 miljoen programmeerbare synapsen werden gebouwd, goed voor 46 miljard synaptische operaties per seconde per watt. Kortom, “een neurosynaptische supercomputer ter grootte van een postzegel, met een stroomverbruik als dat van een hoorapparaat”, wordt gesteld. Bovendien kunnen deze chips makkelijk worden samengevoegd in grotere aantallen, waardoor uiterst stroomzuinige systemen met supercomputervermogen mogelijk worden. IBM refereerde al naar een 16-chip systeem met 16 miljoen neuronen en 4 miljard synapsen. Bij de voorstelling van de TrueNorth-chip werd een testtoepassing besproken, in casu videoherkenning in het verkeer (de verwerking van een 400 x 400 pixel input à rato van 30 fps) die amper 63 milliwatt verbruikte. De TrueNorth-chip transformeerde de signalen in ‘spikes’ (pieken) van elektriciteit, die naargelang hun sterkte doorheen de neuronen en synapsen stroomden als door een neuraal netwerk, dat patronen onderkent.

Daar ligt ook de toekomst voor breinchips: beeld- en signaalverwerking (zoals uit grote sensornetwerken), analysetoepassingen (zoals in draagbare medische toestellen), maar ook stuurtoepassingen (auto’s, schepen,…), wetenschappelijke en economische toepassingen, “tot en met toepassingen in smartphones, zoals voor gezichtsherkenning voor snelle authenticatie.” Kortom, TrueNorth is nog geen eindpunt!

Guy Kindermans