Een chip met het verstand van een muis

IBM heeft hersencircuits op een chip nagebouwd. Hij kan dienen voor surveillance in camera’s, waar hij bijvoorbeeld vrachtwagens of fietsers opmerkt in doorlopende filmbeelden. De chip, die volgens IBM de complexiteit van muizenhersenen evenaart, probeert informatie te verwerken zoals dieren dat doen. Bij de beeldverwerking verbruikt de chip maar 63 milliwatt, 200.000 keer minder dan een Intel-processor. Er hangt wel een prijskaartje van 100 miljoen dollar aan vast.

Het kostte IBM en HRL Labs, de vroegere onderzoeksfaciliteit van vliegtuigbouwer Hughes, ongeveer vijf jaar om aan de hand van bestaande halfgeleidertechnieken de chip te bouwen. IBM had aan de Amerikaanse defensieorganisatie DARPA gezegd dat de technologie zo complex zou zijn als de hersenschors van een kat, maar vooralsnog blijven de technici steken op vijf miljard transistors: voldoende voor de miljoen cortexcellen van een muis, maar honderd keer minder dan die van een kat.

Circuits met vijf miljard transistors zijn in de huidige halfgeleiderindustrie niet uitzonderlijk. Een state of the art Intelchip heeft er ongeveer evenveel. De miniaturisering van de chip is dus niet per se nieuw, maar dat is de architectuur des te meer. Een Intelchip gebruikt nog steeds het ontwerp van de Hongaarse wiskundige John von Neumann, die kort na de Tweede Wereldoorlog zijn plannen uittekende voor de allereerste elektronische computer. Dat schema bevatte een processor, een apart geheugen en input-outputapparaten, zoals een toetsenbord en een printer. De processor werkte met wiskundige precisie en liep via een klok continu een rij instructies af, waarbij de stand van elk transistortje apart bepaald was. De vooruitgang die de computers sinds Von Neumann hebben geboekt, komt vooral doordat er steeds meer transistors op één chip zitten en doordat de snelheid van de klok aanzienlijk hoger ligt.

Heikel punt: de synaps

De Amerikanen hebben de zenuwcellen in de hersenschors van muizen en makaken aandachtig bestudeerd. Op basis daarvan ontwierpen ze een schakeling, een zogeheten spiking neural network, waarvan de componenten alleen actief worden als de input boven een bepaalde kritische grens komt – net zoals bij hersencellen. IBM en HRL Labs slaagden erin een miljoen actieve componenten, de zenuwen, met elkaar in contact te brengen op 256 miljoen punten, de synapsen. Al die synapsen zijn afzonderlijk te programmeren. Dat gaat bijvoorbeeld over hun sterkte of signaalsnelheid.

Theoretici weten al langer dat zulke spikenetwerken intelligente taken uitvoeren met minder energie dan gewone computers. Voorbeelden daarvan zijn de herkenning van voorwerpen op camerabeelden, bewegingdetectie of bewegingen aansturen. De camerabewakingschip van IBM toont aan dat het principe ook echt werkt, al zijn er wel maar liefst een miljoen ‘zenuwen’ nodig om een driekleurenbeeld te analyseren van 400 bij 240 pixels.

Dit beeld gemaakt met een hittecamera laat zien dat de ‘breinchip’ (links) minder verbruikt dan een traditionele chip.

De hamvraag luidt nu hoe efficiënt zulke spikenetwerken in een natuurlijke omgeving taken kunnen uitvoeren. ‘Eigenlijk hebben we nog geen flauw idee’, aldus Dharmendra Modha van IBM, ‘hoe goed onze hersenchip uiteindelijk dierenverstand kan nabootsen.’ De Amerikanen vermoeden dat intelligentie beter werkt buiten het lab, omdat een natuurlijke omgeving altijd oneindige complexiteit vertoont die een Von Neumann-machine moeilijk kan oplossen. Een heikel punt bij het nabootsen van hersenen is de synaps, de plaats waar twee zenuwcellen elkaar aanraken. ‘De synaps vormt een ondoordringbare jungle waar de ene na de andere onderzoeker in verdwaalt’, schreef de ontdekker ervan, Ramón Cajal, honderd jaar geleden na een carrièrelang onderzoek. Ionenpompen, openspringende blaasjes met chemicaliën, voortdurende veranderende spanningen en flinterdunne elastinekoppelingen waarvan de elektrische weerstand niet valt te bepalen, houden wetenschappers inmiddels al een eeuw bezig.

‘Wetenschappelijk bedrog’

IBM heeft er vertrouwen in dat een simpel model volstaat. In Californië bouwde het bedrijf een wand bestaande uit 16HD lcd-schermen, die in grijstinten laat zien hoe patronen zich voortbewegen door een netwerk van een kwart miljoen hersencellen. IBM beweert zelfs dat het als eerste alfagolven heeft waargenomen in het model van de cortex van de kat, op de Blue Gene-supercomputer van het Lawrence Livermore National Laboratory.

Daarop beschuldigde Henry Markram, directeur van het concurrerende Europese Human Brain Project, IBM in het openbaar van ‘bedrog’. ‘Dit is een megapubliciteitsstunt’, aldus Markram. ‘Een duidelijk voorbeeld van hoe het publiek wetenschappelijk bedrogen wordt. De complexiteit komt niet eens in de buurt van een mier. Ze stellen synaptische gebeurtenissen veel te simpel voor. Er zijn ten minste zes verschillende soorten synapsen. Je hebt tienduizenden vergelijkingen nodig om één synaps te simuleren. De synapsen die ze gebruiken zijn miljoenen keren eenvoudiger dan die in een echt kattenbrein.’

Het Europese project, waar ruim een miljard euro mee gemoeid is, zal volgens de planning pas over tien jaar tot de eerste ‘hersenchip’ leiden. Momenteel ligt Markram zelf echter onder vuur: een groep Europese neurologen klaagt dat Markram hun expertise over een speciaal aspect van de synaps niet in het project heeft betrokken. Daardoor is een betrouwbare simulatie onmogelijk, aldus de neurologen.