Supergeleidende hersenchip 'leest' fusieplasma een miljoen keer per seconde

Onderzoekers van het Brookhaven National Laboratory in de Amerikaanse staat New York hebben een nieuw type computerchip ontwikkeld dat speciaal is gemaakt om plasma in kernfusiereactoren te volgen. De chip, die de naam Super Intelligence (SI) chip kreeg, is gebouwd met supergeleidende circuits die de werking van neuronen in een menselijk brein nabootsen. Dat maakt de chip extreem snel in het herkennen van patronen, iets wat cruciaal is bij kernfusie. Het project is een samenwerking tussen Brookhaven, het Princeton Plasma Physics Laboratory, de DIII-D National Fusion Facility en het Colorado-bedrijf Great Sky, dat de chip daadwerkelijk fabriceerde.

Waarom plasma zo lastig te volgen is

In een fusiereactor wordt waterstofgas verhit tot extreme temperaturen, tussen de 100 en 150 miljoen graden Celsius. Dat is ongeveer tien keer heter dan de kern van de zon. Bij die temperatuur verandert gas in plasma: een wolk van losse, geladen deeltjes die met sterke magneten op zijn plek wordt gehouden. Dat plasma gedraagt zich grillig en kan binnen een fractie van een seconde instabiel worden. Om een reactor veilig en stabiel te laten draaien, moeten computers continu duizenden metingen per seconde verwerken en razendsnel bijsturen. Gewone chips op basis van silicium lopen daarbij tegen hun grenzen aan, omdat ze simpelweg niet snel genoeg kunnen rekenen.

Een miljoen metingen per seconde

Om de nieuwe chip te testen, sloten de onderzoekers hem aan op de DIII-D tokamak, een fusie-testfaciliteit van General Atomics in Californië. Een tokamak is een donutvormige reactor die plasma met magneetvelden in bedwang houdt. De chip kreeg data binnen met een snelheid van een miljoen samples per seconde en bleek die stroom moeiteloos te verwerken. In twee testrondes toonde de chip aan dat hij ongewoon gedrag in het plasma kon herkennen en instabiliteiten kon voorspellen voordat ze zich voltrokken. Een derde test gebruikte gesimuleerde plasmadata van TORAX, een simulatieprogramma van het fusieteam van Google DeepMind. Daarbij voorspelde de chip het ontstaan van zogeheten sawtooth-instabiliteiten, plotselinge schommelingen in de plasmatemperatuur en -dichtheid die reactoren kunnen verstoren.

Op weg naar grotere versie

Volgens projectleider Shinjae Yoo van Brookhaven biedt de chip een nieuw platform voor de kunstmatige-intelligentiealgoritmes die zijn team ontwikkelt. PPPL-directeur Steven Cowley noemt het de eerste stap naar besturingssystemen voor toekomstige fusiecentrales die razendsnel en zelfstandig kunnen bijsturen. Het team werkt inmiddels aan een opvolger met een neuraal netwerk dat tien keer groter is dan het huidige ontwerp. Die versie moet begin 2027 worden gepresenteerd en later dat jaar worden getest op de DIII-D tokamak. Volgens Great Sky-oprichter Jeff Shainline kan dezelfde technologie ook buiten de fusiesector worden ingezet, bijvoorbeeld bij kwantumcomputers, cyberbeveiliging en de snelle analyse van röntgendata.