Uttrycket "mikroprocessorn är datorns hjärna" är grovt orättvist. Både mot mikroprocessorn och hjärnan. Hjärnan är oerhört bra på att snabbt känna igen ett ansikte, en doft eller ett musikstycke. å andra sidan kan ju även den enklaste mikroprocessor multiplicera mångsiffriga tal på bråkdelen av en sekund, något som de flesta människor och djur går bet på.

ändå fascineras många av parallellerna mellan hjärnan och elektroniken. På ett nyligen anordnat symposium i Stockholm kallat "Brains, Genes and Chips" samlades några av världens främsta forskare inom dessa tre fält för att berätta om läget inom sina skilda discipliner, för att hitta gemensamma beröringspunkter och eventuella möjligheter till framtida samarbete. Tillställningen arrangerades av Peter Wallenbergstiftelsen, med stort stöd och intresse från ledande Ericssonforskare.

- På tio års sikt tror vi att det är fullständigt nödvändigt att vår elektronik och vårt systemtänkande tar mer intryck av hjärnans sätt att fungera. Vi jobbar mycket med detta, sa Jan Johansson ansvarig för universitetsförbindelser på Ericsson Corporate Technology.

CMOS är ikapp hjärnan

En god anledning till ökad tvärforskning är att halvledarna numera på sätt och vis kommit ikapp den mänskliga hjärnan. Bob Brodersen, professor i elektronik vid Berkeleyuniversitetet, konstaterade att en hjärna innehåller hundra miljarder neuroner, som mycket grovt uttryckt kan utföra operationer som påminner om adderare eller multiplikatorer. Neuronerna kan utföra ett hundratal sådana operationer per sekund.

Vidare utvecklar hjärnan en effekt kring hundra watt och har en volym på ungefär en liter, vilket innebär att hjärnan presterar cirka hundra miljoner operationer per milliwatt, eller tio miljoner operationer per kubikmillimeter om man så vill.

Dessa nyckeltal är klart jämförbara med dagens CMOS-kretsar, som presterar runt en miljard operationer per milliwatt och lika mycket per kvadratmillimeter.

- Skulle det skilja någon tiopotens hit eller dit så vinner halvledarna ändå i längden eftersom Moores lag säger att prestanda fördubblas var 18 månad, medan Darwin visade att hjärnbarken behöver 1,5 miljoner år på sig för att fördubbla sin prestanda, menar Brodersen.

Hjärnan är parallell och analog

Paradoxalt nog är det just detta som är en del av problemet. Hastigheten i halvledarutvecklingen skymmer nämligen det faktum att halvledarna inte utnyttjas särskilt bra. Den absolut vanligaste datorarkitekturen - Von Neumann - uppfanns på 1940-talet då hårdvara var dyrt, medan storlek och effektförbrukning inte var något problem.

Numera är hårdvara billigt, och gränsen för det möjliga sätts i stället av effektförbrukning och storlek. ändå dominerar von Neumanns seriella, tidsmultiplexerande arkitektur trots att man länge känt till fördelarna med parallella arkitekturer, och sådana kretsar som direkt mappar den önskade funktionen på kisel. Ska elektronikutvecklarna hämta inspiration från hjärnan så är förstås parallellism ett ledord.

En annan fundamental skillnad är att hjärnan är analog till sin natur, och kan hantera många analoga variabler samtidigt - upp till flera tusen. Professor John Hopfield, hjärnforskare vid Princeton, kontaterade på symposiet att ett problem av typen "är det sant att det finns en stor delmängd av bland tusentals variabler som är ungefär lika med varandra" är svårt att implementera digitalt, men tämligen naturligt för ett system av neuroner. Det är också en typisk frågeställning som biologiska system utför effektivt.

Det är illustrativt att även matematiska funktioner - det som digitaltekniken anses bäst på - kan implementeras mer kompakt i analog form. John Hopfield påpekade att tre dioder med några trådar emellan räcker för att bygga en maskin som multiplicerar två tal - och dessutom gör det på kortare tid än en klockcykel i dagens snabbaste digitala utrustning. Motsvarande funktion i traditionell VLSI-teknik kräver ett femtiotal transistorer. Resonemanget är naturligtvis bestickande ur elektronikindustriell synvinkel.

Nanoteknik med DNA

Det faktum att halvledare kräver allt större fabriksinvesteringar för att kunna tillverkas lönsamt har också ökat elektronikforskarnas intresse för genforskning. Den tämligen sciencefictionliknande visionen är att få elektroniska kretsar att föröka sig själva, och på så sätt skapa självgenererande teknik. Den verkligheten är förvisso avlägsen, men vissa genombrott har ändå gjorts.

Vid Pennsylvania State University har forskare lyckats fästa korta DNA-bitar vid små guldtrådar, 200 nm tjocka och 6 µm långa. Andra DNA-bitar fästes samtidigt på en guldfilm. Det visade sig då att guldtrådarna oftare fastnade vid de DNA-bitar på guldfilmen som hade matchande DNA-slingor. I förlängningen tror sig dessa forskare kunna skapa självgenererande förbindelser i nanometerstorlek där DNA-täckta ytor guidar komponenterna till önskad plats.

Förhoppningen är att förmå ändpunkterna på dessa fina trådar att antingen knyta an till andra trådar, och på så sätt skapa längre förbindelser, eller att få dem att kontaktera med nanotransistorer.

Pengar är inte problemet

Att elektronikutvecklarna numera intresserar sig för studier av hjärnan och generna beror förstås på att elektroniken som den ser ut idag når gränsen för det möjliga inom tio eller femton år. CMOS-tekniken kommer inte att försvinna, men vid extrema krav på hastighet, komplexitet eller minaityrisering kan andra implementeringssätt komplettera halvledartekniken. Och ska nanoteknik, fotoniksystem, bioelektriska system och hjärnelektronik bli verklighet så krävs onekligen en hel del tvärvetenskaplig forskning.

Vad är det då som saknas för att visionerna ska bli verklighet? För en gångs skull verkar det faktiskt inte vara pengar. Parallellen mellan hjärnor och teknik är så slående och utvecklingspotentialen så lockande att såväl statliga som privata intressen gärna finansierar forskning på området. Enligt flera inblandade forskare ligger de stora hindren snarare i att forskarkulturerna ligger så långt från varandra.

I det dagliga märks kulturskillnaderna bland annat genom att den väsensskilda terminologin gör att forskare från de skilda fälten helt enkelt har svårt att förstå varandra. Det faktum att biologernas metoder ofta bygger på studier av data från djurförsök avskräcker dessutom många elektronikforskare. På ett något högre plan gör kulturskillnaderna det också svårt att få forskningsresultat erkända i den akademiska världen, där traditionella discipliner alltjämt anses "finare" i många sammanhang.

En intressant aspekt i diskussionerna mellan hjärnforskare och elektronikutvecklare är att de sistnämnda överlag tycks överskatta de förstnämndas framsteg. För kunskapen om hur den mänskliga hjärnan fungerar har faktiskt bara börjat nå en nivå där elektronikutvecklare har några praktiska möjligheter att dra nytta av den. Det borde förvisso inte hindra att den kunskap som finns tillämpas bättre.

För fundamentala frågor som hur människan drar slutsatser, vad en tanke egentligen är och vad som egentligen utgör medvetande verkar hjärnforskningen alltjämt gränsa till filosofin. Och filosofi är inte lätt att implementera i CMOS.