VidAs - Ein Computer aus neuronalen Netzen

Freitag, 07. Oktober 2005 um 13:39 Uhr

Hildesheimer entwickelt neue Konzepte für Computer: Assoziativmaschine

Anfangs sollte lediglich gezeigt werden, dass man künstliche neuronale Netze aus Pfennigartikeln aus dem Elektronikladen zusammensetzen kann. Doch im Fortgang der Forschungsarbeit wurden diese neuronalen Netze dann so miteinander verschaltet, dass eine frei programmierbare Maschine entstand, ein neuartiger Computer, der seine Wirkung aus dem Zusammenspiel von umfangreichen Verbunden elektronisch nachgebildeter Nervenzellen bezieht. Wir nennen ihn auch gerne Assoziativmaschine.

Der Aufbau der neuen Maschine wurde durch eine besondere Form künstlicher neuronaler Netze möglich, den Assoziativmatrizen, wie sie an der Universität Hildesheim in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Hans-Joachim Bentz seit Jahren erfolgreich zur Mustererkennung und Mustervervollständigung in vielerlei Projekten verwendet werden. Die guten Eigenschaften dieser Netze, ihre Fehlertoleranz und Störunanfälligkeit, übertragen sich auf die neue Assoziativmaschine: sie ist Störungen oder ungenauen Eingabedaten gegenüber unempfindlich. Programmabläufe werden immer noch korrekt abgearbeitet, auch wenn Teile des neuronalen Computers gestört werden oder gar ausfallen. Ein Vehikel dieser Bauart würde ihre Umgebung wiedererkennen, auch wenn in ihr Veränderungen vorgenommen wurden. Im Umgang mit dem Ungefähren spielt das Ensemble von Netzen seine Stärken aus. In dieser Hinsicht verhält sich der neue Computer ähnlich unserem Gehirn, was nicht völlig überrascht, arbeiten in unserem Kopf doch auch mehrere neuronale Netze neben- und miteinander. Und so gibt es noch eine andere verblüffende ähnlichkeit zwischen uns und dem neuen Computer: nach dem Einschalten kann er nicht von selbst rechnen. Aber man kann es ihm (so wie uns) beibringen. Dazu vermittelt man ihm eine Vorstellung von dem, was Zahlen sind, und lehrt ihn das Zählen. Anschließend sieht es in den neuronalen Netzen für den Programmablauf und die Befehle etwa wie in untenstehender Abbildung aus (es gehören noch eine Reihe weiterer Netze zur Maschine, die hier nicht dargestellt wurden). Jeder Fleck steht für eine Verknüpfung zwischen horizontalen und vertikalen Axonen der Modell-Nervenzellen. Das Herstellen geeigneter Verknüpfungen und deren fehlertolerante Auswertung bilden den Kern der Funktionsweise des neuen Computers. Das linke Bild zeigt zudem eine Sorte "Zerstörungen" (willkürliches Setzen von Verknüpfungen), die bei den Experimenten zur Feststellung der Arbeitsgüte vorgenommen wurden.

Der Aufbau der neuen Maschine wurde durch eine besondere Form künstlicher neuronaler Netze möglich, den Assoziativmatrizen, wie sie an der Universität Hildesheim in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Hans-Joachim Bentz seit Jahren erfolgreich zur Mustererkennung und Mustervervollständigung in vielerlei Projekten verwendet werden. Die guten Eigenschaften dieser Netze, ihre Fehlertoleranz und Störunanfälligkeit, übertragen sich auf die neue Assoziativmaschine: sie ist Störungen oder ungenauen Eingabedaten gegenüber unempfindlich. Programmabläufe werden immer noch korrekt abgearbeitet, auch wenn Teile des neuronalen Computers gestört werden oder gar ausfallen. Ein Vehikel dieser Bauart würde ihre Umgebung wiedererkennen, auch wenn in ihr Veränderungen vorgenommen wurden. Im Umgang mit dem Ungefähren spielt das Ensemble von Netzen seine Stärken aus. In dieser Hinsicht verhält sich der neue Computer ähnlich unserem Gehirn, was nicht völlig überrascht, arbeiten in unserem Kopf doch auch mehrere neuronale Netze neben- und miteinander. Und so gibt es noch eine andere verblüffende ähnlichkeit zwischen uns und dem neuen Computer: nach dem Einschalten kann er nicht von selbst rechnen. Aber man kann es ihm (so wie uns) beibringen. Dazu vermittelt man ihm eine Vorstellung von dem, was Zahlen sind, und lehrt ihn das Zählen. Anschließend sieht es in den neuronalen Netzen für den Programmablauf und die Befehle etwa wie in untenstehender Abbildung aus (es gehören noch eine Reihe weiterer Netze zur Maschine, die hier nicht dargestellt wurden). Jeder Fleck steht für eine Verknüpfung zwischen horizontalen und vertikalen Axonen der Modell-Nervenzellen. Das Herstellen geeigneter Verknüpfungen und deren fehlertolerante Auswertung bilden den Kern der Funktionsweise des neuen Computers. Das linke Bild zeigt zudem eine Sorte "Zerstörungen" (willkürliches Setzen von Verknüpfungen), die bei den Experimenten zur Feststellung der Arbeitsgüte vorgenommen wurden.

Bei herkömmlichen Computern steht demgegenüber ein Rechenwerk im Mittelpunkt der Maschinerie (engl. to compute -- rechnen). Von diesem Ansatz, der die Computer-Wissenschaft schon begleitet, seit Konrad Zuse 1938 im Wohnzimmer seiner Eltern die famose Zuse 1 zusammensetzte, lösen wir uns mit dem neuartigen Assoziativcomputer. Wir nutzen vielmehr ein anderes Paradigma: an die Stelle des Programmierens über ein Rechenwerk tritt das Assoziative Programmieren. In unserem Gehirn befindet sich schließlich auch kein Rechenwerk und dennoch können wir Abläufe ausführen oder in Reihenfolgen denken, wenn wir zum Beispiel jemandem erklären, wie er von einem Ort zu einem anderen gelangen kann. Wir assoziieren hier "im Geiste" eine Situation mit der nächsten und berechnen sie nicht über arithmetisch-logische Operationen. Der im Institut für Mathematik und Angewandte Informatik entstandene neue Computer aus neuronalen Netzen sollte daher eigentlich nicht Computer heißen, sondern wäre besser durch das von den Franzosen gewählte Wort l'ordinateur beschrieben, weil damit auf eine Ordnung verwiesen wird. In den durch die Verknüpfungen hergestellten Abfolgen steckt eine solche, auch wenn man sie obigen Abbildungen nicht unmittelbar zu entnehmen weiß. Die Assoziativmaschine ist völlig unabhängig von herkömmlicher Hardware oder Software. In der Frühzeit der elektrisch betriebenen Computer nannte man die Maschinen hin und wieder Elektronengehirne. Doch erst jetzt in Hildesheim ist ein solches verfügbar.

Der Konstruktionsplan der neuen Assoziativmaschine wurde mit Hilfe eines Digitalsimulators detailliert erarbeitet. Da man beim Zusammenlöten einer robusten, komplexen Maschinerie gelegentlich Fehler macht, diese aber aufgrund der dem System innewohnenden Fehlertoleranz manchmal erst nach Wochen bemerkt werden, bekam Andreas Dierks laufend weitere graue Haare. Der Fachbereich sorgte am 27. September dafür, dass er diese nunmehr unter einem schmucken Doktorhut verstecken kann, von welchem Assoziationsketten herunterhängen und dessen eine Ecke als besonders "robust" gestaltet wurde.


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