211service.com
Een brein bouwen op een siliciumchip
Een internationaal team van wetenschappers in Europa heeft een siliciumchip gemaakt die is ontworpen om te functioneren als een menselijk brein. Met 200.000 neuronen verbonden door 50 miljoen synaptische verbindingen, kan de chip het vermogen van de hersenen om beter te leren nabootsen dan welke andere machine dan ook.
Een slimme chip: Wetenschappers in Europa gebruiken conventionele technieken voor de productie van chips om circuits te creëren die de structuur en functie van het menselijk brein nabootsen. Dit vroege prototype heeft slechts 384 neuronen en 100.000 synapsen, maar de nieuwste versie bevat 200.000 neuronen en 50 miljoen synapsen.
Hoewel de chip een fractie heeft van het aantal neuronen of verbindingen in de hersenen, kan hij door zijn ontwerp worden opgeschaald, zegt hij. Karlheinz Meier , een natuurkundige aan de Universiteit van Heidelberg, in Duitsland, die het project Fast Analog Computing with Emergent Transient States heeft gecoördineerd, of FACETTEN .
De hoop is dat het herscheppen van de structuur van de hersenen in computervorm ons begrip kan vergroten van het ontwikkelen van massaal parallelle, krachtige nieuwe computers, zegt Meier.
Dit is niet de eerste keer dat iemand heeft geprobeerd de werking van de hersenen na te bootsen. Een poging genaamd de Blauwe Hersenen project, gerund door Henry Markram aan de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, in Zwitserland, heeft enorme databases met biologische gegevens gebruikt die zijn vastgelegd door neurologen om een enorm complexe en realistische simulatie van de hersenen op een IBM-supercomputer te creëren.
FACETS maakt gebruik van dezelfde databases. Maar in plaats van neuronen te simuleren, zegt Karlheinz, bouwen we ze. Met behulp van een standaard 8-inch siliciumwafer recreëren de onderzoekers de neuronen en synapsen als circuits van transistors en condensatoren, ontworpen om dezelfde soort elektrische activiteit te produceren als hun biologische tegenhangers.
Een neuroncircuit bestaat meestal uit ongeveer 100 componenten, terwijl een synaps slechts ongeveer 20 nodig heeft. Maar omdat er zoveel meer zijn, nemen de synapsen het grootste deel van de ruimte op de wafer in beslag, zegt Karlheinz.
Het voordeel van deze vast bedrade benadering, in tegenstelling tot een simulatie, vervolgt Karlheinz, is dat het onderzoekers in staat stelt de hersenachtige structuur te herscheppen op een manier die echt parallel is. Simulaties in realtime laten draaien, vereist enorme hoeveelheden rekenkracht. Bovendien kunnen fysieke modellen veel sneller werken en zijn ze beter schaalbaar. In feite kan het huidige prototype ongeveer 100.000 keer sneller werken dan een echt menselijk brein. We kunnen een dag in een seconde simuleren, zegt Karlheinz.
Hoewel het misschien ongeloofwaardig klinkt, zijn neuronen eigenlijk erg traag, tenminste in vergelijking met computers, zegt Thomas Serre , een computationele neurowetenschappelijke onderzoeker aan het MIT. De reden waarom computers veel langzamer lijken, is dat het seriële machines zijn, terwijl onze hersenen parallel lopen, zegt hij.
FACETS is niet de enige groep die deze aanpak hanteert. Onderzoekers bij Stanford universiteit hebben ook neuronale circuits gecreëerd en de Defense Advanced Research Projects Agency onlangs begonnen met het financieren van een soortgelijk project.
Waar FACETS iedereen voor is, is dat ze deze complexe synapsen gebruiken, zegt Markram. Hoewel de neuronen vrij eenvoudig zijn, zegt hij, zijn de synapsen ontworpen om een zeer krachtig gedistribueerd algoritme te gebruiken - ontwikkeld door Markram - genaamd spike-timing-afhankelijke plasticiteit, waarmee het apparaat kan leren en zich kan aanpassen aan nieuwe situaties.
Het bouwen van dergelijke complexe circuits vereiste nauwe samenwerking met neurobiologen, zegt Markram. In feite is het project, waarvan het huidige budget € 10,5 miljoen (14,1 miljoen dollar) bedraagt, afhankelijk van de bijdragen van 15 wetenschappelijke groepen uit zeven verschillende landen. Een van de uitdagingen waarmee ze worden geconfronteerd, is het nabootsen van de driedimensionale structuur van de hersenen in een 2D-stuk silicium, zegt hij.
Ondanks pogingen om de chips zo biologisch aannemelijk mogelijk te maken, geeft Markram toe dat ze nog steeds grof zijn in vergelijking met wat kan worden bereikt in simulatie. Het is geen brein. Het is meer een computerprocessor die een deel van de versnelde parallelle computing heeft die de hersenen hebben, zegt hij.
Markram betwijfelt daarom of de hardware-aanpak veel inzicht zal bieden in hoe het brein werkt. In tegenstelling tot Blue Brain zullen onderzoekers bijvoorbeeld niet in staat zijn om silico-geneesmiddelentesten uit te voeren, waarbij de effecten van medicijnen op de hersenen worden gesimuleerd. Het is meer een platform voor kunstmatige intelligentie dan het begrijpen van biologie, zegt hij.
De FACETS-groep is nu van plan om hun chips verder op te schalen door een aantal wafers met elkaar te verbinden om een superchip te creëren met in totaal een miljard neuronen en 1013 synapsen.