Desain baru dapat ditumpuk dan dikonfigurasi ulang, untuk bertukar

Bayangkan masa depan yang lebih berkelanjutan, di mana ponsel, jam tangan pintar, dan perangkat wearable lainnya tidak harus disimpan atau dibuang untuk model yang lebih baru. Sebagai gantinya, mereka dapat ditingkatkan dengan sensor dan prosesor terbaru yang akan dipasang ke chip internal perangkat – seperti batu bata LEGO yang dimasukkan ke dalam bangunan yang ada. Chipware yang dapat dikonfigurasi ulang tersebut dapat membuat perangkat tetap mutakhir sekaligus mengurangi limbah elektronik kita.

Sekarang para insinyur MIT telah mengambil langkah menuju visi modular itu dengan desain seperti LEGO untuk chip kecerdasan buatan yang dapat dikonfigurasi ulang.

Desainnya terdiri dari lapisan elemen penginderaan dan pemrosesan yang bergantian, bersama dengan dioda pemancar cahaya (LED) yang memungkinkan lapisan chip berkomunikasi secara optik. Desain chip modular lainnya menggunakan kabel konvensional untuk menyampaikan sinyal antar lapisan. Koneksi rumit seperti itu sulit jika bukan tidak mungkin untuk diputuskan dan dipasang kembali, membuat desain yang dapat ditumpuk seperti itu tidak dapat dikonfigurasi ulang.

Desain MIT menggunakan cahaya, bukan kabel fisik, untuk mengirimkan informasi melalui chip. Oleh karena itu, chip dapat dikonfigurasi ulang, dengan lapisan yang dapat ditukar atau ditumpuk, misalnya untuk menambahkan sensor baru atau prosesor yang diperbarui.

“Anda dapat menambahkan lapisan dan sensor komputasi sebanyak yang Anda inginkan, seperti cahaya, tekanan, dan bahkan bau,” kata postdoc MIT Jihoon Kang. “Kami menyebutnya chip AI yang dapat dikonfigurasi ulang seperti LEGO karena memiliki kemampuan ekspansi tak terbatas tergantung pada kombinasi lapisan.”

Para peneliti ingin menerapkan desain ke perangkat komputasi tepi — sensor mandiri dan elektronik lainnya yang bekerja secara independen dari sumber daya pusat atau terdistribusi seperti superkomputer atau komputasi berbasis cloud.

“Saat kita memasuki era internet berdasarkan jaringan sensor, permintaan akan perangkat komputasi tepi yang multifungsi akan berkembang secara dramatis,” kata Jeehwan Kim, profesor teknik mesin di MIT. “Arsitektur perangkat keras yang kami usulkan akan memberikan keserbagunaan tinggi komputasi tepi di masa depan.”

Hasil tim dipublikasikan di Elektronik Alam. Selain Kim dan Kang, penulis MIT termasuk penulis pendamping Chanyeol Choi, Hyunseok Kim, dan Min-Kyu Song, dan penulis yang berkontribusi Hanwool Yeon, Celesta Chang, Jun Min Suh, Jiho Shin, Kuangye Lu, Bo-In Park, Yeongin Kim, Han Eol Lee, Doyoon Lee, Subeen Pang, Sang-Hoon Bae, Hun S. Kum, dan Peng Lin, bersama dengan kolaborator dari Universitas Harvard, Universitas Tsinghua, Universitas Zhejiang, dan lainnya.

Menerangi jalan

Desain tim saat ini dikonfigurasi untuk melakukan tugas pengenalan gambar dasar. Ia melakukannya melalui lapisan sensor gambar, LED, dan prosesor yang terbuat dari sinapsis buatan — susunan resistor memori, atau “memristor”, yang sebelumnya dikembangkan oleh tim, yang bersama-sama berfungsi sebagai jaringan saraf fisik, atau “brain-on”. -sebuah-keping.” Setiap array dapat dilatih untuk memproses dan mengklasifikasikan sinyal secara langsung pada sebuah chip, tanpa memerlukan perangkat lunak eksternal atau koneksi internet.

Dalam desain chip baru mereka, para peneliti memasangkan sensor gambar dengan susunan sinapsis buatan, yang masing-masing mereka latih untuk mengenali huruf tertentu — dalam hal ini, M, I, dan T. Sementara pendekatan konvensional adalah menyampaikan sinyal sensor ke prosesor melalui kabel fisik, tim malah membuat sistem optik antara setiap sensor dan susunan sinapsis buatan untuk memungkinkan komunikasi antar lapisan, tanpa memerlukan koneksi fisik.

“Chip lain secara fisik disambungkan melalui logam, yang membuatnya sulit untuk dipasang ulang dan didesain ulang, jadi Anda perlu membuat chip baru jika ingin menambahkan fungsi baru,” kata postdoc MIT Hyunseok Kim. “Kami mengganti koneksi kabel fisik itu dengan sistem komunikasi optik, yang memberi kami kebebasan untuk menumpuk dan menambahkan chip seperti yang kami inginkan.”

Sistem komunikasi optik tim terdiri dari fotodetektor berpasangan dan LED, masing-masing berpola dengan piksel kecil. Fotodetektor merupakan sensor gambar untuk menerima data, dan LED untuk mengirimkan data ke lapisan berikutnya. Saat sinyal (misalnya gambar huruf) mencapai sensor gambar, pola cahaya gambar mengkodekan konfigurasi piksel LED tertentu, yang pada gilirannya merangsang lapisan fotodetektor lain, bersama dengan susunan sinapsis buatan, yang mengklasifikasikan sinyal berdasarkan pada pola dan kekuatan cahaya LED yang masuk.

menumpuk

Tim membuat satu chip, dengan inti komputasi berukuran sekitar 4 milimeter persegi, atau seukuran sepotong confetti. Chip ditumpuk dengan tiga “blok” pengenalan gambar, masing-masing terdiri dari sensor gambar, lapisan komunikasi optik, dan susunan sinapsis buatan untuk mengklasifikasikan salah satu dari tiga huruf, M, I, atau T. Mereka kemudian menyorotkan gambar piksel huruf acak ke chip dan mengukur arus listrik yang dihasilkan oleh setiap susunan jaringan saraf sebagai respons. (Semakin besar arus, semakin besar kemungkinan bahwa gambar tersebut memang huruf yang dilatih untuk dikenali oleh larik tertentu.)

Tim menemukan bahwa chip dengan benar mengklasifikasikan gambar yang jelas dari setiap huruf, tetapi kurang dapat membedakan antara gambar buram, misalnya antara I dan T. Namun, para peneliti dapat dengan cepat menukar lapisan pemrosesan chip menjadi lebih baik. denoising”, dan menemukan chip kemudian mengidentifikasi gambar secara akurat.

“Kami menunjukkan kemampuan susun, penggantian, dan kemampuan untuk memasukkan fungsi baru ke dalam chip,” catat Min-Kyu Song postdoc MIT.

Para peneliti berencana untuk menambahkan lebih banyak kemampuan penginderaan dan pemrosesan ke chip, dan mereka membayangkan aplikasi menjadi tak terbatas.

“Kami dapat menambahkan lapisan ke kamera ponsel sehingga dapat mengenali gambar yang lebih kompleks, atau menjadikannya monitor perawatan kesehatan yang dapat disematkan pada kulit elektronik yang dapat dipakai,” kata Choi, yang bersama dengan Kim sebelumnya mengembangkan kulit “pintar” untuk pemantauan vital. tanda-tanda.

Ide lain, tambahnya, adalah untuk chip modular, yang dibangun ke dalam elektronik, yang dapat dipilih konsumen untuk dibuat dengan “batu bata” sensor dan prosesor terbaru.

“Kami dapat membuat platform chip umum, dan setiap lapisan dapat dijual terpisah seperti video game,” kata Jeehwan Kim. “Kami dapat membuat berbagai jenis jaringan saraf, seperti untuk pengenalan gambar atau suara, dan membiarkan pelanggan memilih apa yang mereka inginkan, dan menambahkan chip yang sudah ada seperti LEGO.”

Penelitian ini sebagian didukung oleh Kementerian Perdagangan, Industri, dan Energi (MOTIE) dari Korea Selatan; Institut Sains dan Teknologi Korea (KIST); dan Program Penjangkauan Penelitian Global Samsung.

Komputasi Seluler