Dubbellaags grafeen (paars) met boornitride (BN) levert een synaptische transistor op (afb: Mark Hersam)

Zogeheten ‘synaptische’ transistoren (de synaps is het contactpunt tussen uitlopers van hersencellen) zouden alles ‘verslaan’ wat er tot nu toe op het gebied van kunstmatige intelligentie (ki) is vertoond. Tot voor kort werkten die alleen bij lage temperaturen en dat is energetisch niet erg aantrekkelijk.

Hersencellen slaan informatie op en verwerken die ook. Nu gebeurt dat op een computer op twee gescheiden systemen (harde schijf/RAM-geheugen en processor). Onze hersens werken veel efficiënter dan rekentuigen en dus zijn onderzoekers al decennialang op zoek naar digitale ‘hersencellen’.
“Hersens zitten fundamenteel anders in elkaar dan rekentuigen”, zegt Mark Hersam, van de Northwesternuniversiteit. “Dat heen en weer schuiven van informatie kost een hoop energie en is een hinderpaal voor het uitvoeren van meer taken tegelijkertijd.” Daardoor zou de synaptische transistor veel energiezuiniger en sneller zijn.
De duvel en zijn ouwemoer gebruikt tegenwoordig ki, maar beseft kennelijk niet dat dergelijke systemen per opdracht net zoveel energie gebruiken als (kleine) steden. Een enkele leersessie voor ChatGPT zou al net zoveel energie verbruiken als voor een miljoen km met een fossiele auto nodig is en zo’n 500 ton kooldioxide veroorzaken.
De nieuwe transistor bestaat uit twee lagen tweedimensionaal grafeen en twee lagen ook tweedimensionaal hexagonale boornitride die vervormd zijn om een zogeheten Moiré-effect te bereiken.
Als die laagjes ten opzichte van elkaar gedraaid worden krijgt de transistor elektronische eigenschappen die met een laag onmogelijk zijn te bereiken. Het is de onderzoekers gelukt dat bij kamertemperatuur voor elkaar te krijgen door een precieze afstemming tussen de dubbellaag van grafeen en tussen de boornitridelagen en door een speciale vervorming van de laagjes. Met behulp van spanningsverschillen is het Moiré-effect te veranderen en dat schijnt deze transistoren te onderscheiden van eerder ontworpen synaptische transistoren.

De onderzoekers probeerden de chip met synaptische transistoren uit op het herkennen van patronen. Eerst moest het synaptische systeem de patronen leren te onderscheiden en vervolgens werd het op de proef gesteld met soortgelijke patronen (uiteraard niet dezelfde). Dat heet associatief leren en daar zijn de huidige ki-systemen niet erg goed in.

Alledaagse zaken

“Als we willen dat ki de hersens nadoet dan is een van de simpelste taken het indelen, het sorteren”, zegt Hersam. “Alledaagse zaken zijn vaak te ingewikkeld voor ki-systemen en dus probeerden we dit systeem uit op dat soort problemen. We willen ki vooruitbrengen.” Het systeem bleek ook andere voor de mens simpele opdrachten te vervullen, waar ki-systemen grote moeite mee hebben. Het zou zijn gebleken dat het synaptische systeem het associatieve redeneren onder de knie kreeg, stellen de onderzoekers.

Hersam: “Tot nu toe hebben we alleen boornitride en grafeen gebruikt om het Moiré-effect te bereiken, maar er zijn veel andere tweedimensionale materialen die je daarvoor kunt gebruiken. We denken dat we nog maar net begonnen zijn wat er mogelijk is met neuromorfe (op hersens lijkende; as) systemen.” Overigens vertelt het verhaal niet hoeveel een dergelijk systeem energiezuiniger en sneller is dan de huidige ‘slimme’ systemen (ik=as heb geen toegang tot het artikel in Nature. Wel wordt er in de samenvatting gewag gemaakt van een vermogen van 20 picoWatt (pico is 10^-12).

Bronnen: livescience.com, Nature