Mon Jan 18 2021

01 18

Componenten voor neuromorfe computers

08/12/2020

Door Ad Spijkers

In de neuromorfe computer worden de schakelpunten van de hersenen niet door software gesimuleerd, maar door hardwarecomponenten.


     

Neuronale netwerken zijn gebaseerd op de werking van het menselijk brein. Ze draaien als adaptieve software op conventionele processoren. Een team aan het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf werkt aan een nieuwe benadering voor dergelijke hardware. Magnetische golven worden specifiek gegenereerd en opgesplitst in schijven van micrometer-formaat.

Als basis gebruikt het team een kleine schijf van enkele micrometers uit ijzer-nikkel. Aan deze schijf is een gouden ring bevestigd. Er stroomt een wisselstroom in het GHz-bereik doorheen en deze zendt microgolven uit die zogenaamde spingolven in de schijf stimuleren. Met de microgolfimpulsen raakt de gyroscoop in een elektron uit de pas. Het elektron geeft deze storing door aan zijn buren, wat resulteert in een spingolf door het materiaal heen. Hierdoor kan informatie efficiënt worden getransporteerd zonder dat er elektronen hoeven te bewegen, zoals gebeurt in een computerchip.

Spingolf

Onder bepaalde omstandigheden kan de in de magneetschijf gegenereerde spingolf worden opgesplitst in twee golven, elk met een lagere frequentie. Door niet-lineaire effecten worden ze pas effectief als het uitgestraalde microgolfvermogen boven een bepaalde drempel komt. Dit maakt de spingolven veelbelovende kandidaten voor kunstmatige neuronen, gezien de parallel met de manier waarop de hersenen werken. Neuronen vuren alleen als een bepaalde stimulusdrempel is overschreden.

De wetenschappers konden de splitsing van de spingolf aanvankelijk maar onnauwkeurig beheersen. Als ze de microgolf naar de schijf stuurden, splitste de spingolf zich pas na een bepaalde vertraging in twee nieuwe golven. Deze vertraging was moeilijk te controleren. Naast de gouden ring wordt daarom een kleine magneetstrip dichtbij de schijf gebracht. Een kort microgolfsignaal genereert een spingolf in deze strip. Deze motiveert de golf in de schijf om sneller op te splitsen. Een kort extra signaal blijkt voldoende om de splitsing eerder te laten beginnen. De onderzoekers kunnen het proces specifiek triggeren en de vertraging beheersen.

De spingolfschijven zijn daarmee in principe geschikt als kunstmatige hardware-neuronen. Ze schakelen op dezelfde manier als de zenuwcellen in de hersenen en kunnen specifiek worden aangestuurd. De onderzoekers willen nu een klein netwerk bouwen van deze spingolfneuronen. Dit neuromorfe netwerk zou in staat moeten zijn om eenvoudige taken op te lossen.

Gezichtsherkenning en verkeersoptimalisatie

Patroonherkenning is een van de belangrijkste toepassingen in AI. Om gezichtsherkenning op smartphones te laten werken, moet vooraf een neuraal netwerk worden getraind, wat een grote rekenkracht en grote hoeveelheden gegevens vereist. De smartphonefabrikanten zetten dit netwerk over naar een speciale chip die vervolgens in de mobiele telefoon wordt ingebouwd. Maar deze chip kan niet leren, waardoor hij bijvoorbeeld geen gezichten met een mondkapje kan herkennen.

Een neuromorfische computer daarentegen zou ook met dergelijke situaties kunnen omgaan. In tegenstelling tot een conventionele chip zijn de componenten niet vast bedraad, maar werken op dezelfde manier als de zenuwcellen in de hersenen. Hierdoor kan een neuromorfe computer grote hoeveelheden gegevens tegelijkertijd en op een energetisch zuinige manier verwerken.

Behalve voor patroonherkenning zou het nieuwe type computer geschikt zijn voor optimalisatietaken zoals nauwkeurige routeplanning op de smartphone.

Foto: HZDR/Sahneweiß/H. Schultheiß