Gezamenlijk onderzoek HAN en RUG: gedroomde elektronische ‘memelementen’ bestaan niet
Sinds de jaren '70 schrijven wetenschappers over een speciale klasse elektronica-onderdelen die computers extreem snel en zuinig zouden maken: ‘memelementen’.
HAN-onderzoeker Dimitri Jeltsema bewees samen met professor Arjan van der Schaft van de Rijksuniversiteit Groningen dat deze onderdelen de eerste wet van de thermodynamica schenden en daarom niet kunnen bestaan. Het klinkt te mooi om waar te zijn: computers met onderdelen die nauwelijks energie gebruiken bij het opslaan en verwerken van informatie.
Weerstand met geheugen
Een van de mogelijkheden die in 1970 al theoretisch werd voorgesteld, is de memristor (een samentrekking van memory en resistance). “De memristor kun je zien als een weerstand met geheugen. De weerstand die hij levert, is afhankelijk van de stroom die er eerder doorheen ging”, zegt Jeltsema. “Dat levert op papier interessante toepassingen voor bijvoorbeeld computergeheugens op. Het onthoudt zijn toestand, zonder stroom te gebruiken en zonder opstarttijd.” Daarnaast ontstaan mogelijkheden om niet alleen nullen en enen te verwerken, zoals een klassieke computer, maar in principe alle waarden daartussen. Zo’n analoge computer is in theorie voor sommige rekenklussen – zoals die voorkomen in kunstmatige intelligentie – veel sneller dan zijn digitale evenknie.
Prachtig idee natuurlijk, maar het bleef lange tijd stil. Tot in 2008 een artikel in Nature verscheen waarin ingenieurs van Hewlett Packard (HP) het bestaan van dit element aankondigden. Vanaf die dag zijn er velen wetenschappers mee aan de slag gegaan. Ook claimde HP toen dat we in 2013 een commercieel verkrijgbare computer met memristoren konden verwachten. Een groot probleem waar sinds die tijd steeds opnieuw tegenaan wordt gelopen, is dat een memristor relatief veel energie nodig heeft om geprogrammeerd te worden en daardoor ook erg warm wordt. Het is immers ook een weerstand.
De memristor kun je zien als een weerstand met geheugen. De weerstand die hij levert, is afhankelijk van de stroom die er eerder doorheen ging
Nieuwe hoop: spoelen en condensatoren met geheugen
Er lagen gelukkig nog 2 andere kandidaten op de spreekwoordelijke tekentafel: de zogenaamde meminductor en memcapacitor. Dit zijn spoelen en condensatoren waarvan de zelfinductie en de capaciteit kan worden geprogrammeerd. Voordeel: net als normale spoelen en condensatoren zouden zulke memelementen nauwelijks energie omzetten in warmte.
Helaas
Afgelopen zomer besloten onderzoekers Jeltsema en Van der Schaft de meminductor en memcapacitor aan een theoretische test te onderwerpen. Ze kwamen samen tot de conclusie dat deze memelementen in hun ideale vorm niet kunnen bestaan. “We kunnen een patroon van elektrische stromen of spanningen bedenken waarmee je uiteindelijk meer energie uit de onderdelen haalt dan dat je erin stopt”, zegt Jeltsema. “Het is alsof je een lamp laat branden en het energiebedrijf meer energie terugkrijgt dan er geleverd wordt. Memcapacitors en meminductors zijn niet bestaande perpetuum mobiles”. Zo’n ultrazuinige computer is dus - helaas - te mooi om waar te zijn.
De 2 wetenschappers werken al lang samen en hun kennis op het gebied van elektrische systemen (Jeltsema) en thermodynamica (Van der Schaft) vulden elkaar voor dit onderzoek perfect aan. Jeltsema: “Met mijn elektrotechnische achtergrond redeneer ik vaak vanuit mijn intuïtie. Ik werk al lang aan memelementen en kon mijn kennis van de bestaande vakliteratuur gebruiken. Arjan kan goed overweg met de thermodynamische formules en zag snel dat er iets niet klopte”, zegt Jeltsema. “Hij heeft de gave om dit helder te formuleren. Ik pakte dat op en gebruikte het om er een artikel van te maken.” Volgens Van der Schaft speelde het verleden een belangrijke rol. “We kennen elkaar al jaren en begrijpen elkaar. Door onze verschillende expertises stellen we andere vragen. Dat was de kracht hier.”
Theorie met impact op de praktijk
Jeltsema zegt dat dit theoretische werk uiteindelijk impact heeft op de praktijk. Er zijn in de afgelopen jaren diverse artikelen over de realisatie en toepassing van memelementen geschreven. In Groningen werken onderzoekers in ieder geval, vooralsnog theoretisch, aan zogenoemde neuromorfe computers. De werking hiervan is enigszins te vergelijken met hersencellen in een brein. Onderzoekers zoeken geschikte onderdelen en materialen om uiteindelijk memelementen te maken. “Op basis van dit onderzoek hebben we besloten dat het geen zin heeft om memcondensatoren op te nemen in het ontwerp voor toekomstige computers”, zegt Van der Schaft.
Naast de toepassing als een nieuw soort computergeheugen zijn de concepten onlangs door diverse wetenschappers ook doorgetrokken naar de mechanica. Zij keken naar massa’s en veren met een soortgelijke geheugenfunctie. Het leidde zelfs tot een nieuw soort gepatenteerde schokdemper. “Helaas, dat patent gaat over iets heel anders dan een mechanisch geheugen element”, zeggen Jeltsema en Van der Schaft.
Geruststellen
Vorig jaar vond Jeltsema, in het kader van zijn NWO-SiA post-doc onderzoek, ook een veelbelovende toepassing van de memelementen in het bestuderen en oplossen van verstoringen in het elektriciteitsnetwerk. “Wiskundig harstikke interessant, in de praktijk heeft dit idee alleen geen betekenis”, zegt Jeltsema enigszins teleurgesteld. “Aan de andere kant stel ik mijn studenten tijdens hun afstuderen ook vaak gerust met de opmerking dat het aantonen van een onmogelijkheid misschien nog wel belangrijker is dan het vinden van een mogelijkheid. Alleen in het laatste geval is er hoop en heeft het zin om er verder in te duiken.”
Wil je meer over het onderzoek van Dimitri Jeltsema en Arjan van der Schaft weten? Dat kan!
