Deze AI-chip imiteert het brein en rekent 10.000 keer zuiniger

Wetenschappers van Northwestern University hebben een nieuw type computerchip gebouwd dat is geïnspireerd op het cerebellum, het hersendeel dat balans en fijne spierbewegingen coördineert. In plaats van voortdurend alle binnenkomende data te analyseren, negeert de chip routinematige signalen en reageert hij alleen op iets onverwachts. Dat scheelt enorm veel rekenwerk en dus energie. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen op 10 juli in het tijdschrift Nature Communications.

In gesimuleerde tests met hartfilmpjes (ECG's) herkende het systeem onregelmatige hartslagen binnen een vijfde van een hartslag, met een nauwkeurigheid van 98 procent. Dat was twee keer zo snel als een standaard AI-model, en het kostte ongeveer 10.000 keer minder rekenstappen. Dat maakt de techniek interessant voor apparaten die continu moeten opletten maar weinig stroom mogen verbruiken, zoals draagbare gezondheidsmonitors, zelfrijdende auto's en autonome robots.

Geïnspireerd op het kleine brein

De meeste onderzoekers die neuromorfe verwerking ontwikkelen richten zich op de cerebrum, het grootste deel van de hersenen en het centrum van bewust denken. Dit team koos bewust voor het cerebellum, een kleiner hersengebied dat verantwoordelijk is voor coördinatie en handelingen die we zonder nadenken uitvoeren. In het cerebellum houden elkaar tegenwerkende signalen — de ene stimulerend, de andere remmend — elkaar normaal in balans. Zodra die balans verstoort, weet de rest van de hersenen dat er iets moet gebeuren. Volgens hoogleraar materiaalkunde Mark Hersam, die het onderzoek mede leidde, is dat precies waarom het cerebellum een goed voorbeeld is voor zuinige AI: het systeem verspilt geen energie aan dingen die toch voorspelbaar zijn.

Geheugen en rekenwerk in één component

Gewone computers en AI-chips verliezen veel tijd en energie doordat data heen en weer moet reizen tussen aparte geheugen- en rekenonderdelen. De nieuwe chip lost dat op met een zogeheten memtransistor, een component die geheugen en verwerking combineert in één bouwsteen. Het onderdeel is gemaakt van moly­bdeendisulfide, een extreem dun halfgeleidermateriaal dat een kanaal vormt tussen twee elektroden. Doordat de twee elektroden ongelijk zijn aangesloten, kan de stroom door het kanaal van richting wisselen tussen een 'stimulerende' en een 'remmende' modus, precies zoals in het cerebellum.

Vergelijking met bestaande AI

De onderzoekers vergeleken hun cerebellum-geïnspireerde netwerk met een standaard transformer-model, het type architectuur dat ook achter grote taalmodellen zit. Beide systemen kregen dezelfde ECG-data te verwerken. Het brein-achtige systeem was niet alleen sneller, maar had ook duizenden keren minder rekenkracht nodig. Hersam benadrukt dat de chip nog niet zo klein en snel is als commerciële siliciumchips, maar dat er in principe geen belemmering is om de techniek verder op te schalen. Vooral voor edge computing — situaties waarin apparaten zelfstandig moeten reageren zonder verbinding met een dataserver — ziet hij veel potentie.