Steeds vaker wordt kunstmatige intelligentie/artificial intelligence (AI) gebruikt in alledaagse toepassingen. Traditionele AI-modellen kosten echter nog steeds veel energie en rekenkracht. Onlangs maakte Federico Corradi, Senior Neuromorphic Researcher bij onderzoekscentrum imec samen met onderzoekers van het Centrum Wiskunde & Informatica (CWI) een doorbraak op dit gebied. Het team ontwikkelt speciale chips die de werking van de hersenen nabootsen en tot duizend keer efficiënter werken dan de huidige AI-netwerken. “Ze zijn ideaal voor toepassingen in de gezondheidszorg, in smartphones en in drones”, zegt Corradi.
Het menselijk brein: het is een zeer efficiënt systeem dat in real time een enorme hoeveelheid informatie kan verwerken. Imec Holst Centre, een onafhankelijk onderzoekscentrum op het gebied van micro-elektronica, werkt nu aan een chip die dankbaar gebruik maakt van de werking van de hersenen. De microchips bootsen nauwkeurig na hoe neuronen in de hersenen met elkaar samenwerken, informatie uitwisselen, voorspellingen doen en patronen herkennen. Deze nieuwe neurale netwerken worden “spiking” genoemd en vertegenwoordigen de meest bio-geïnspireerde generatie (de derde) van kunstmatige neurale netwerken. Het gebruik van de chip heeft veel voordelen: Het verbruikt 100 keer minder energie dan traditionele implementaties waardoor batterijen lang meegaan en werkt zonder vertraging, wat bijna ogenblikkelijke besluitvorming mogelijk maakt.
Wiskundige doorbraak
Samen met collega’s van het CWI kwam Corradi tot een wiskundige doorbraak die ervoor zorgde dat de techniek in een stroomversnelling terecht kwam. Het onderzoek naar de nieuwe techniek vindt in Eindhoven plaats. “De spiking neural network-techniek bestaat al langere tijd, maar we hebben een manier gevonden om het netwerk efficiënt en accuraat te kunnen trainen”, legt Corradi uit. “We maken daarbij gebruik van training by example. Hierdoor kan AI leren aan de hand van voorbeelden, door het zien van gebaren, spraak of radarbeelden.” De nieuwe ontwikkeling zit hem niet zo zeer in de software, maar in de chips waarmee de AI aangestuurd worden. “Het gaat om de fysieke berekeningen in de chip: deze zijn gebaseerd op hoe neuronen in de hersenen met elkaar in verbinding staan.”
Dergelijke chips staan nu aan het begin van vele praktische, alledaagse toepassingen. De wereld zit al een tijdje te wachten op een doorbraak als deze. De grote hoeveelheid data die de huidige AI-netwerken gebruiken hebben namelijk grote consequenties op allerlei vlakken. “Ten eerste kost het tientallen miljoenen euro’s om zo’n netwerk te trainen. Voor het bedrijfsleven dat een enorm obstakel. De grote hoeveelheid rekenkracht die het netwerk nodig heeft, heeft daarnaast een grote impact op het milieu. Wij proberen intelligentie in de chip zelf aan te brengen en daardoor worden deze problemen opgelost.”
Hartritme detectie
Een van de toepassingen van de chips kan gevonden worden in de medische wereld. “We kunnen de chips inzetten om afwijkingen in het hartritme op te sporen”, zegt Corradi. “Daarbij moet je denken aan een chip die in een klein apparaatje in het lichaam wordt aangebracht, vlakbij het hart. In zo’n situatie wil je natuurlijk dat de batterij van het apparaat zo lang mogelijk meegaat. Onze zuinige chip is daar dus uiterst geschikt voor.” Daarnaast wordt de privacy van patiënten ook gegarandeerd wanneer de nieuwe chips in gebruik worden genomen. “Het is niet nodig om de chip met een cloud te verbinden, om goed werk te kunnen leveren. De data worden lokaal, in de chip zelf, verwerkt.”
Het duurt nog even voordat de toepassing wordt ingezet in ziekenhuizen, “maar we hebben de prestaties van de chip al getest op basis van een realistische dataset. Er moet nog veel onderzocht worden, maar de toepassing lijkt tot nu toe veelbelovend.”
Autonome drones
Ook kan de nieuwe chip op den duur worden ingezet om drones en andere robots aan te sturen. “Een drone moet snel kunnen reageren op zijn omgeving. Mensen zijn daar heel goed toe in staat en we zien dat spiking neural networks van pas komen in autonome drones. De berekeningen worden razendsnel, lokaal, op chipniveau gemaakt waardoor de drone snel beslissingen kan nemen.” Het AI-netwerk is daarnaast geschikt om verschillende signalen, of modaliteiten, met elkaar te verbinden. “Een drone moet gebruikmaken van allerlei soorten informatie: van geluid en radarbeelden bijvoorbeeld. De chip kan al deze informatie bundelen tot een coherent geheel. Bovenop deze voordelen komt nog het feit dat drones voorzien van de chips lang kunnen vliegen zonder dat de batterij leeg gaat. Dat is ideaal.”
Lees ook: Bio-chip van imec meet ontstekingswaarden in het lichaam
De werking van het brein
Niet alleen robots en apparaten hebben baat bij de chips. Omdat ze de werking van de hersenen nabootsen geeft toepassing van de chips ons de mogelijkheid om te leren over onszelf. “Hoe werken verschillende onderdelen van ons brein samen tijdens informatieverwerking? Waar gebeurt die verwerking precies? Er valt hier nog veel over te leren en door de werking van het brein na bootsen leren we steeds meer.”
Interesse uit de techwereld
Komende jaren zullen consumenten steeds meer toepassingen van het efficiënte AI-systeem gaan zien, voorspelt Corradi. “We willen dat een smartphone tot meer in staat is dan nu nog het geval is. Het spraakherkenningssysteem, zoals Siri, moet slimmer kunnen werken en op den duur zullen we gebruik willen maken van gebarenherkenning. Veel techbedrijven zijn al geïnteresseerd in technologieën gebaseerd op de hersenwerking, net zoals onderzoeksinstituten over de hele wereld. Ik denk dat de markt zich langzaam begint te realiseren dat we over moeten stappen op een AI-model dat meer potentie heeft dan het huidige.”
