Rolexencyclopedie

Girard-Perregaux Constant Escapement

IBM TrueNorth Neurosynaptic System

In dit artikel zal het gaan over twee totaal verschillende voorwerpen maar die allebei (mede) ontworpen zijn met het oog op energie.
De een is een horloge waarbij er gezorgd is voor een constante aanvoer van energie voor het balanswiel en de ander is een computerchip waarbij het energieverbruik zo laag mogelijk is gehouden.

Laten we eerst eens naar het horloge, de Girard-Perregaux Constant Escapement, gaan kijken.
Een standaard Swiss lever escapement werkt prima als de hoofdveer helemaal is opgewonden. Echter naarmate deze veer verder en verder afwindt neemt het koppel dat ze levert aan het balanswiel af en zal de amplitude van de balans afnemen waardoor de nauwkeurigheid daalt.
Het hierboven beschreven probleem is al zo oud als het horloge maken zelf. In de 15e eeuw werd er al een systeem genaamd ‘fusee and stackfreed’ gebruikt, waarschijnlijk een Duitse vinding. In 1798 werd er door Abraham Louis Breguet een patent aangevraagd voor een constant force escapement en de Engelse horlogemaker Charles Haley werd in 1796 een patent toegewezen.

H4 Marine Chronometer, John Harrison

Een andere constant force constructie wordt ‘remontoire d’egalite’ genoemd en deze werkt als volgt:
Op de as van een van de wielen van de tandwiel trein is een spiraalvormige veer geplaatst die periodiek wordt opgewonden door de hoofdveer. De eerste veer-aangedreven remontoire d’egalite werd ontwikkeld door John Harrison en hij gebruikte deze in zijn H4 Marine Chronometer in 1761; deze wordt iedere 7 1/2 minuut heropgewonden door de hoofdveer.
Het cruciale verschil tussen deze twee vormen van constant force is dat de een zijn energie rechtstreeks levert aan de balans terwijl de ander onderdeel is van de trein der tandwielen.

Hoewel het constant force escapement in theorie superieur is aan de bekende constructies voor het maken van een uurwerk heeft het na bovengenoemde experimenten nooit verder doorgezet. Het was te ingewikkeld en complex om toe te passen in een serie van horloges en leek voorbestemd om een, weliswaar fascinerende, voetnoot te worden in de geschiedenis van horloges.
Totdat, op een dag in 1996, een horlogemaker van Rolex een idee had. Zijn naam was Nicolas Dehon en het idee ontstond terwijl hij in de trein met zijn kaartje zat te spelen. Hij duwde het kaartje, vastgehouden tussen duim en wijsvinger, heen en weer en bedacht dat er op deze manier een voorspelbare puls van energie ontstond. Als het stukje karton tussen zijn vingers getransformeerd kon worden naar een bron van energie voor de balans in een uurwerk dan zou dit wel eens de oplossing kunnen zijn voor het constant force vraagstuk.
Dehon en Rolex slaagden er in een prototype te bouwen, er werd zelfs in 1999 een patent gelegd op hun constant force escapement, maar het ontwerp was zijn tijd vooruit. De materialen die nodig waren om een betrouwbare en effectieve versie te bouwen waren domweg nog niet voorhanden.

Constant Escapement en detail van de blade spring

In 2008 was Dehon bij Girard-Perregaux komen aankloppen met zijn idee voor de constant force escapement en Stephane Oes, R&D ingenieur bij G-P, omarmde het met groot enthousiasme. De sleutel voor het uiteindelijke succes was het gebruik van silicone, een hard en metaalmoeheid resistent materiaal, dat steeds meer gebruikt werd door horloge fabrikanten (m.n. voor de balansveren). Het prototype uit 1999 bevatte een legering van twee metalen wat de doodsteek betekende voor het project.
Zoals op bovenstaande foto te zien is gebruikt de 2008 G-P versie een frame uit een stuk, een ‘lever’ en een blade spring gemaakt van silicone door middel van fotolithografie.

Bij de slingerbeweging van de balans komt het in aanraking met een kleine vork die is vastgemaakt aan de impuls hefboom. Bij deze beweging zorgt het er voor dat de blade spring van de ene S-vorm omklapt in de andere. Op deze wijze wordt er energie afgegeven aan de balans. Zodra de balans vrij is van de impuls hefboom zal een van de gebogen zijden van een van de escape wheels contact maken met een jewel op de impuls hefboom en de bocht begint S-bocht terug te duwen naar zijn eerdere vorm; maar voor hij daadwerkelijk kan terugklappen komt de hefboom tot stilstand doordat een van zijn locking jewels contact maakt met een van de tanden van het escape wheel. De blade spring staat nu op scherp en is klaar om om te klappen in zijn tegenovergestelde configuratie doordat de impuls jewel de hefboom activeert.

Escape wheel, showing the sliding inclines for re-arming the blade spring, ending in locking teeth

Waar in een gewoon horloge het escape wheel de energie direct doorgeeft aan de balans via de hefboom, is het doel van de twee escape wheels in de Constant Escapement om de S-vormige blade spring in een configuratie te krijgen waarbij de balans de minste energie nodig heeft om hem vrij te zetten terwijl er tegelijkertijd voldoende energie moet worden afgegeven om de balans in de juiste gang te houden. Zo wordt de blade spring bewogen van een stabiele vorm naar een semi-stabiele vorm die energie nodig heeft van de tandwiel trein en wordt de blade spring op ‘scherp’ gezet. Beide escape wheels, roterend in tegengestelde richting, worden aangedreven door het vijfde wiel van de trein. De escape wheels en hefboom zijn van puur nikkel en de vork van de impuls hefboom is van silicone. Opvallend is nog dat de impuls in twee richtingen wordt gegeven, dit in tegenstelling tot eerdere ontwerpen van andere horlogemakers- bijvoorbeeld Breguet-die allemaal een richting hanteerden.

De Girard-Perregaux Constant Escapement huist in een prachtige witgouden kast van 48 x 14mm waarbij het blauwgekleurde frame van het escapement en de escape wheels in het onderste gedeelte van de open wijzerplaat de show stelen. Het bovenste deel bevat een ingetogen uren en minuten teller en er is een centrale secondewijzer met een rood uiteinde.
De gangreserve bedraagt 7 dagen en is af te lezen op een horizontale wijzer. G-P heeft bewust gekozen voor deze uitzonderlijk lange gangreserve en eveneens voor het feit dat het uurwerk met de hand wordt opgewonden om te laten zien dat de power curve gedurende de hele periode vlak blijft. Met een verwijzing van het roemrijke verleden van G-P hebben de bruggen in de Constant Escapement dezelfde dubbele pijlvorm als deze in de Three Golden Bridges tourbillon.

De eerste metingen van het Constant Escapement uurwerk geven aan dat er een indrukwekkende dagelijkse variabiliteit is van 2 seconden gedurende de gangreserve van het horloge met consistente amplitudes van de balans die zweven tussen 200-225 graden.
Voor Baselworld 2014 had Girard-Perregaux, volgens haar CEO Michele Sofisti, 10 exemplaren van dit horloge gemaakt met een vraagprijs van $100.000.

De constructie van een werkelijke constant force escapement dat betrouwbaar loopt, robuust genoeg is voor een draagbaar uurwerk en in series geproduceerd kan worden, is een prestatie die horlogemakers eeuwen lang zonder succes hebben nagestreefd. Er kan dan ook zonder meer gezegd worden dat Girard-Perregaux, door de briljante inval van Nicolas Dehon met het treinkaartje uiteindelijk te vertalen naar de Constant Escapement, geschiedenis heeft geschreven in de horlogewereld. De toch al omstreden functie van de tourbillon wordt door de vinding van G-P nog verder naar de achtergrond verdreven.

Grafiek geeft de verhouding weer tussen de Clock Frequency (neuron firing speed) in Hz en de Power Density in W/cm2

De afgelopen 6 jaar is IBM bezig geweest met de ontwikkeling van een hersen-geïnspireerde processor (neuromorphic engineering). Recentelijk heeft IBM de TrueNorth geïntroduceerd, een processor met 1 miljoen brain-inspired neurons. De chip gebruikt maar 70 milliwatt en kan 46 miljard synaptische acties per seconde per watt uitvoeren. Dit zijn getallen die vele malen lager liggen dan deze van conventionele, von Neumann computers en in de buurt komen van het energieverbruik van de hersenen.
Het brein heeft een Clock Frequency die ligt in tientallen Hz en een Power Density van ± 20 watt (total power consumption). Een moderne silicone chip heeft duizenden of miljoenen keer meer energie nodig als de hersenen voor dezelfde taak. Dit alles is goed te zien in bovenstaande grafiek.
Een experiment met een bestaande supercomputer waarbij de 100 triljoen synapsen uit het menselijk brein werden gesimuleerd leidde tot een resultaat waarbij de computer 1500 keer langzamer was dan real-time; een hypothetische computer die de simulatie in real-time zou kunnen draaien, zou 12 GW nodig hebben terwijl het brein slechts 20 W verbruikt.
Echter TrueNorth is niet enkel vanwege zijn lage energieverbruik ontwikkeld. Minstens zo belangrijk zijn de brain-inspired eigenschappen op het gebied van het uitvoeren van taken en het kunnen aanleren van allerlei zaken.

Dharmendra Modha, IBM Fellow en projectleider TrueNorth

Laten we bij het begin beginnen. De hedendaagse computers kunnen teruggevoerd worden op de mechanische calculator die Blaise Pascal uitvond in 1642. Het moderne tijdperk van de computers begon met introductie van de ENIAC (Electronic Numerical Integrator and Computer) op 15 februari 1946. De ontwikkeling van de transistor in 1948 maakte de creatie mogelijk van geïntegreerde circuits in 1958 en dit leidde tot de eerste microprocessor in 1971. Sinds die tijd is de Clock Frequency van de microprocessors met een factor 1000 toegenomen.
Zonder afbreuk te willen doen aan deze opvallende evolutie, is het zo dat deze zich ontwikkeld heeft in een richting die diametraal tegenovergesteld is aan deze van het computer paradigma van het brein. De consequentie hiervan is dat moderne microprocessors 8 orders van grootte sneller (in termen van Clock Frequency) en 4 orders van grootte heter (in termen van energie per eenheid corticaal gebied) dan de hersenen.

Wat verklaart deze discrepantie tussen het brein en de computer?
Hierbij zijn er twee factoren: technologie en architectuur. In tegenstelling tot de huidige anorganische silicone technologie gebruikt het brein biofysische, biochemische en organische bouwstenen. Nieuwe nanotechnologieën trachten dit probleem te ondervangen.
Bij de ontwikkeling van TrueNorth heeft IBM gekozen voor de tweede invalshoek, de architectuur. Het doel hierbij was om het product van energie, oppervlakte en vertraging te minimaliseren.
TrueNorth heeft een non-von Neumann architectuur wat betekent dat hij een parallelle, gedistribueerde, modulaire, schaalbare, fout-tolerante en flexibele architectuur heeft die berekeningen, communicatie en geheugen integreert en die geen clock heeft.

Het lineaire karakter van de huidige von Neumann computers is ideaal voor het kraken van zeer complexe wiskundige vergelijkingen, dit kunnen zij veel sneller dan het brein. Voorbeelden hiervan zijn het simuleren van weerpatronen of het berekenen van alle gravitatie vectoren bij de landing van een voertuig op Mars.
Wat zij echter totaal niet kunnen en het brein wel is bijvoorbeeld het herkennen van een stem in een menigte of het kiezen van een wijn bij het diner. Hier komt hersenvormig parallellisme om de hoek kijken en TrueNorth heeft deze eigenschap, reeds langer bekend, tot ongekende hoogte verheven. De processor simuleert een brein met 1 miljoen neuronen en 256 miljoen synapsen, ongeveer de ‘kraak kracht’ van een bij of een kakkerlak, aangedreven door een on-chip netwerk van 4096 neurosynaptische kernen. In totaal is dit een 5,4 miljard transistor processor, de grootste chip die IBM tot nu toe heeft gefabriceerd, maar een die slechts 70 milliwatt energie verbruikt gedurende realtime processen; vier orders van grootte minder dan de conventionele chips van vandaag. De chip kan 46 miljard synaptische operaties uitvoeren per seconde, per watt.

Over de mogelijke toepassingen van TrueNorth zegt IBM Fellow Modha het volgende:
“The architecture can solve a wide class of problems from vision, audition, and multi-sensory fusion, and has the potential to revolutionize the computer industry by integrating brain-like capability into devices where computation is constrained by power and speed.”

Linker hersenhelft is vergelijkbaar met von Neumann computers en de rechter helft met True North

Werking TrueNorth op axonaal niveau

Concluderend kan gezegd worden dat Girard-Perregaux en IBM beide geschiedenis geschreven hebben met hun respectievelijke vindingen. De eerste op horlogegebied met de Constant Escapement en de tweede op het gebied van de computers met de TrueNorth.
Ik hoop van ganser harte dat er nog vele briljante geesten zullen opstaan om ons deelgenoot te maken van vindingen die voorheen onmogelijk leken. Laat dat brein maar kraken!

Jaap Bakker