Biocomputer- en neuromorfisch computeronderzoek kunnen de sleutel vormen tot het verbeteren van de energie-efficiëntie van computers. Door inspiratie te halen uit de efficiënte systemen van de natuur, zoals het menselijk brein, kunnen we mogelijk tegemoetkomen aan de energiebehoeften van een steeds digitaler wordende wereld.

Nu computers steeds meer stroom verbruiken, wenden wetenschappers zich tot een onwaarschijnlijke inspiratiebron voor grotere duurzaamheid: de eenvoudige biologische cel. Deze aanpak, bekend als biocomputing, kan het energieverbruik tijdens het computergebruik verminderen.

Een recent artikel in The Conversation benadrukt dit concept, dat gebruik maakt van de eigen efficiënte systemen van de natuur om een ​​van de meest urgente uitdagingen in het moderne computergebruik op te lossen. Nu datacenters en huishoudelijke apparatuur ongeveer 3% van de mondiale vraag naar elektriciteit opslokken, en kunstmatige intelligentie dit aantal nog verder zal opdrijven, is de behoefte aan energie-efficiënte alternatieven nog nooit zo groot geweest.

Het concept van biocomputing is ontstaan ​​uit een principe dat in 1961 door IBM-wetenschapper Rolf Landauer werd voorgesteld. De Landauer-limiet stelt dat het minimale energieverbruik dat nodig is voor een enkele rekentaak (zoals het instellen van een bit op 0 of 1) ongeveer 10-²¹ Joule (J) bedraagt. Hoewel dit aantal misschien verwaarloosbaar lijkt, wordt het aanzienlijk als je kijkt naar de miljarden bewerkingen die door computers worden uitgevoerd.

In theorie zou het draaien van een computer op de Landauer-limiet het energieverbruik en het temperatuurbeheer van computers irrelevant maken. Er is echter een groot probleem: om dit niveau van efficiëntie te bereiken, moeten de operaties oneindig traag zijn. Sterker nog, hogere computersnelheden zullen onvermijdelijk leiden tot een hoger energieverbruik.

De huidige processors draaien op kloksnelheden van miljarden cycli per seconde en verbruiken ongeveer 10-¹¹J per bit - ongeveer 10 miljard keer de Landauer-limiet. Deze hoge snelheid is het resultaat van computers die serieel werken en één bewerking tegelijk uitvoeren.

Om dit energievraagstuk op te lossen, onderzoeken onderzoekers een fundamenteel ander computerontwerp, gebaseerd op massaal parallelle verwerking. Deze aanpak suggereert het gebruik van miljarden langzamere 'schildpad'-processors, die elk slechts een seconde nodig hebben om een ​​taak te voltooien, in plaats van te vertrouwen op een enkele snelle 'konijn'-processor. In theorie zou dit ervoor kunnen zorgen dat computers dicht bij de Landauer-limiet kunnen werken, waarbij het energieverbruik een orde van grootte lager is dan de huidige systemen.

Webgebaseerde biocomputing is een veelbelovende implementatie van dit idee, waarbij de kracht van biologische motoreiwitten wordt benut: de eigen machines op nanoschaal van de natuur. Het systeem omvat het coderen van computertaken in nanogefabriceerde labyrintkanalen, meestal gemaakt van polymeerpatronen afgezet op siliciumwafels. Biologische filamenten, aangedreven door motoreiwitten, verkennen tegelijkertijd alle mogelijke paden in het doolhof.

Elk biologisch filament, slechts een paar nanometer in diameter en ongeveer een micron lang, codeert informatie via zijn ruimtelijke positie in het doolhof, en wordt een onafhankelijke 'computer'. Deze structuur is met name geschikt voor het oplossen van combinatorische problemen die hoge eisen stellen aan de rekenkracht van seriële computers.

Uit experimenten is gebleken dat deze biologische computer per berekening 1.000 tot 10.000 keer minder energie nodig heeft dan een elektronische processor. Deze efficiëntie komt voort uit de geëvolueerde eigenschappen van biologische motoreiwitten, die alleen de energie gebruiken die nodig is om taken met de vereiste snelheid uit te voeren - doorgaans een paar honderd stappen per seconde, een miljoen keer langzamer dan een transistor.

Recentelijk is op dit gebied aanzienlijke vooruitgang geboekt. Heiner Linke, hoogleraar nanofysica aan de Universiteit van Lund en auteur van het Dialogue-artikel, was ook co-auteur van een paper uit 2023 waarin de mogelijkheid werd aangetoond om computers in de buurt van de Landauer-limiet te laten draaien. Deze doorbraak brengt ons dichter bij het realiseren van het potentieel van ultra-low-energy computing.

Hoewel het concept van biocomputing veelbelovend is, blijven er uitdagingen bestaan ​​bij het opschalen van deze systemen om te kunnen concurreren met elektronische computers in termen van snelheid en rekenkracht. Onderzoekers moeten verschillende obstakels overwinnen, zoals het nauwkeurig controleren van biofilamenten, het terugdringen van het foutenpercentage en het integreren van deze systemen met de huidige technologie.

Als deze obstakels kunnen worden overwonnen, kunnen de resulterende processors bepaalde soorten uitdagende computerproblemen oplossen tegen dramatisch lagere energiekosten. Deze doorbraak zou diepgaande gevolgen kunnen hebben voor de toekomst van computers en de impact ervan op het milieu.

Als een andere benadering onderzoeken onderzoekers ook neuromorfisch computergebruik, dat probeert de sterk onderling verbonden architectuur van het menselijk brein te simuleren. Hoewel de fysieke basiselementen van de hersenen misschien niet inherent energiezuiniger zijn dan transistors, bieden hun unieke structuur en werking fascinerende mogelijkheden voor energiezuinig computergebruik.