De onderzoekers van CogniGron ontwerpen ideeën en materialen om de digitale samenleving toekomstbestendig te maken.

Het internationale onderzoeksteam van CogniGron bestaat uit 22 hoogleraren en meer dan 100 docenten, promovendi en masterstudenten. Zij werken samen aan de ontwikkeling van een extreem energiezuinige supercomputer.

Terug naar de basis van technologie

Het internetverkeer neemt razendsnel toe, waardoor datacenters wereldwijd tegen hun grenzen aan lopen. Toch maken we steeds vaker gebruik van de cloud om te streamen en op slimme apparaten te werken. Terwijl de chips die deze enorme hoeveelheid data verwerken in grote lijnen hetzelfde zijn gebleven.

Het vermogen van nieuwe generaties laptops en smartphones neemt slechts geleidelijk toe. Dat geldt ook voor supercomputers: innovatie heeft tot nu toe slechts bescheiden verbeteringen opgeleverd.

Een duurzame toekomst vraagt juist om revolutionaire vernieuwing die de energie-efficiëntie van huidige supercomputers doet verbleken. Door de technologie zoals we die kennen op een compleet andere manier te benaderen, wil CogniGron deze doorbraak waarmaken.

Het brein als inspiratiebron

De onderzoekers van CogniGron zijn gespecialiseerd in neuromorfische technologie, een nieuw vakgebied dat materialen ontwikkelt met het menselijk brein als uitgangspunt. Digitale supercomputers lijken misschien indrukwekkend, maar het menselijk brein is vele malen sneller in het verwerken van data. En heeft daar ook nog eens veel minder energie voor nodig.

CogniGron ontwerpt slimme materialen op basis van de biologie van het brein: kleine deeltjes met het vermogen zelf te leren nadenken. Een chip op basis van deze technologie, zou krachtig genoeg zijn om in één keer honderden, of zelfs duizenden generaties computers te overtreffen.

Grootschalige impact

Met neuromorfische technologie komen talloze toepassingen in beeld: de inzichten van CogniGron kunnen een rol spelen in de ontwikkeling van deep learning, zelfsturende auto’s, robots, of systemen die in staat zijn een natuurramp te voorspellen. De mogelijkheden zijn grenzeloos.

Het experimentele onderzoek van CogniGron zou niet mogelijk zijn zonder de meest geavanceerde apparatuur en uitzonderlijk gedreven onderzoekers die de grenzen van de wetenschap durven te verleggen. Het project kwam tot stand dankzij een gift van een anonieme schenker.

Computers zo energiezuinig als hersenen, interview met Georgi Gaydadjiev

Het dataverkeer in deze digitale tijd neemt razendsnel toe. Zó snel, dat onze computers die ontwikkeling nauwelijks kunnen bijbenen. Bovendien hebben die apparaten veel energie nodig om al deze data te kunnen verwerken. Nu al gaat meer dan tien procent van de wereldwijde energievraag naar ICT.

Om onze samenleving toekomstbestendig te maken is daarom een heel nieuw type computer nodig, gebaseerd op heel andere principes. Dat is de stelling van CogniGron, een Gronings collectief op topniveau, gefinancierd door het Ubbo Emmius Fonds. Binnen CogniGron werken tweeëntwintig hoogleraren en meer dan honderd docenten, promovendi en masterstudenten uit allerlei landen samen aan de ontwikkeling van de superzuinige, superkrachtige computers van de toekomst.

Een van die hoogleraren is ingenieur Georgi Gaydadjiev, van oorsprong Bulgaar maar inmiddels al meer dan dertig jaar in Nederland – met een paar intermezzo’s in Engeland en Zweden. Hij vertelt, zorgvuldig formulerend in zeer vloeiend Nederlands, waar CogniGron om draait en waarom hij er zo warm voor loopt. ‘Het meest bijzondere aan dit werk? Wij combineren principes uit de wiskunde, kunstmatige intelligentie, materiaal-, computer- én hersenwetenschappen. Dat is echt een unieke aanpak.’

Vanwaar deze nieuwe aanpak? Wetenschappers werken toch al heel lang aan een kwantumcomputer, die alles gaat oplossen?

‘Dat klopt. Ook een kwantumcomputer gaat uiteindelijk op een heel andere manier berekeningen uitvoeren dan onze huidige computers. Maar het probleem is dat de kwantumnatuurkunde, de theorie waarop die computer is gebaseerd, nog sterk in ontwikkeling is. Het werk daaraan is nog heel fundamenteel. En daarom is de toepassing nog vrij ver weg, misschien nog wel twintig jaar. Wij zoeken naar een oplossing voor de tussentijd. Een oplossing die daarnaast ook bepaalde dingen kan waar een kwantumcomputer niet geschikt voor is.’

Waaruit bestaat die oplossing?

‘Wij zoeken naar de combinatie van concrete materiaaleigenschappen en principes uit de hersenwetenschappen om bepaalde berekeningen te kunnen uitvoeren. Uiteindelijk resulteert dat in een systeem dat alleen reageert op de relevante signaalveranderingen uit zijn omgeving, net als onze hersenen. De hersenen verwerken ook niet voortdurend alle informatie die binnenkomt – dan we zouden we stapelgek worden en niets meer gedaan krijgen. Nee, ik zie bijvoorbeeld iets bewegen, en pas dan zal een deel van mijn hersenen in actie komen om de bijbehorende, zeer specifieke informatieverwerking uit te voeren. Dat is wat brain-inspired computing ook gaat doen. En dat is veel efficiënter vergeleken met huidige computers.’

Wat zijn dat dan voor materialen?

‘Het zijn materialen met bepaalde combinaties van bijvoorbeeld elektrische, magnetische en thermische eigenschappen. De kennis daarover – waar Groningen overigens al langer heel sterk in is – combineren we met kennis uit al die andere disciplines. Dat is zo uniek aan dit werk. Maar begrijp me goed: we willen geen kunstmatige hersenen bouwen. We willen de basisprincipes van de informatieverwerking in hersenen begrijpen en inzetten voor efficiënte dataverwerking. Hoe kan het bijvoorbeeld dat onze hersenen zó snel zijn, zó krachtig en efficiënt, en zó’n groot geheugen hebben, en tegelijkertijd zo weinig energie gebruiken?’

Maar van de werking van de hersenen is nog maar een fractie bekend… Is dat niet frustrerend?

‘Nee, nee, nee! Dat is nu juist de uitdaging! Iets zoeken, iets maken wat een oplossing biedt voor een echt maatschappelijk probleem, gebaseerd op hoe het in de natuur geregeld is. De natuur is het gelukt. Natuurlijk, dat heeft miljoenen jaren gekost, maar dat was dankzij bepaalde basisprincipes. Als wij die eruit weten te filteren, dan hebben we iets heel bijzonders in handen. Juist dát maakt dit werk heel erg leuk.’

Is het realistisch dat dit gaat lukken?

‘Als ingenieur wil ik problemen altijd zoveel mogelijk opknippen in haalbare projectjes. Projectjes die ook echt een verschil gaan maken – niet alleen voor de wetenschap, maar juist ook voor de maatschappij. Ik denk niet dat we een generieke oplossing gaan vinden, een complete, cognitieve supercomputer die alles kan. Wij richten ons daarom op een bepaalde functie, of een bepaalde set van functies, waarmee we meer en meer basisprincipes ontrafelen. Uiteindelijk komen we dan wel richting een generieke oplossing. En in de tussentijd kunnen we die kleine puzzelstukjes al wel inpassen in de huidige computers, om die veel beter te maken. En dat doen we ook al. Dat is het mooie.’

Welke toepassingen komen nu in zicht?

‘Denk bijvoorbeeld aan weer- en klimaatmodellen. Die worden steeds dynamischer en complexer. Daarom verwerken ze steeds meer data, met een steeds hogere resolutie in ruimte en tijd. Daarbij lopen we nu al tegen grenzen aan. Als je nu bijvoorbeeld héél nauwkeurig het weer voor morgen wilt voorspellen, dan is een computer een week bezig om de berekeningen uit te voeren. Dan komt die voorspelling dus te laat en heb je er niks aan. Voor de wereldwijde klimaatmodellen geldt dat nog veel sterker – die kijken naar grotere gebieden en vooral naar langere tijdsperioden. Dat lukt nu nog niet zo nauwkeurig, met de huidige modellen.’

Kunt u nog een voorbeeld noemen?

‘Er zijn ook veel mogelijke toepassingen in de medische wereld. Op basis van metingen willen artsen patiënten steeds gerichtere en persoonlijkere behandelingen bieden. Ook daarvoor heb je steeds meer rekenkracht nodig. Neem bijvoorbeeld een kankerpatiënt die wordt bestraald. De arts gebruikt een scan om heel precies alléén de tumor te bestralen, en niet het omringende gezonde weefsel. De arts gebruikt die ene scan voor een hele reeks bestralingen, over meerdere weken. Maar we weten dat organen niet statisch in het lichaam liggen: ze veranderen soms van plek en van oriëntatie. Je zou eigenlijk een patiënt moeten scannen tijdens het bestralen. Daarvoor heb je veel krachtiger rekenwerk nodig dan computers nu aankunnen.’

Maar gaat dit dan echt lukken voordat die kwantumcomputer er is?

‘Ja, daar ben ik 100 procent van overtuigd. Wij kunnen dit laatste voorbeeld zeker binnen vijf tot tien jaar waarmaken. We zijn al een geweldig eind op weg. Ik kan niet genoeg onderstrepen dat CogniGron echt een pionier is in Europa. Er zijn maar weinig initiatieven die de kennis en capaciteiten van al deze disciplines zó doeltreffend bij elkaar brengen. Daar kan Groningen echt heel trots op zijn.’

Tekst: Nienke Beintema, illustratie: Vera Post, dit interview verscheen ook in alumnimagazine Broerstraat 5, december 2022

CogniGron wordt aangestuurd door de Wetenschappelijk Directeur met ondersteuning van het Coördinerend Bureau.

Het Programmabestuur is verantwoordelijk voor de onderzoeksagenda, het budget en het werven van nieuwe staff. De Wetenschappelijk Directeur is voorzitter van het Programmabestuur.

De Raad van Toezicht beoordeelt de financiële planning en de langetermijnstrategie. Daarnaast heeft CogniGron een internationale wetenschappelijke adviesraad voor het bepalen van de toekomstige onderzoeksprioriteiten.

Wetenschappelijke Adviesraad

Giacomo Indiveri, ETH Zurich, Zwitserland

Julie Grollier, CNSR Thales, Frankrijk

Heike Riel, IBM Zurich, Zwitserland

Ivan Schuller, University of California, San Diego, VS

Rainer Waser, RWTH Aachen University & Peter Grünberg Institute, Julich, Duitsland

Yoeri van de Burgt, TU Eindhoven

Wilfred van der Wiel, TU Twente

Chris Eliasmith, University of Waterloo, Canada

Susan Stepney, University of York, Groot-Brittannië

Raad van Toezicht

Hans Biemans, College van Bestuur RUG

Joost Frenken, decaan Faculteit Science & Engineering RUG

Esther-Marije Klop, managing director Faculteit Science & Engineering RUG