Что, если вам никогда не придется отказываться от своих мобильных телефонов, смарт-часов и других носимых устройств в пользу более новой модели?
Звучит маловероятно, да?
Именно это и сделали исследователи из Массачусетского технологического института. Суть проста — электронные устройства можно модернизировать с помощью новейших датчиков и процессоров, которые подключаются к внутреннему чипу устройства, подобно кирпичикам LEGO .
Такое реконфигурируемое микропроцессорное ПО могло бы поддерживать актуальность устройств и одновременно сокращать электронные отходы.
«Мы обратили внимание на то, что обычные чипы с проводными соединениями не подлежат реконфигурации, а это означает, что функциональность системы фиксирована. В среде Интернета вещей (IoT) растет интерес к многофункциональности и реконфигурируемости. в сочетании с сенсорными сетями, и, таким образом, мы представили идею штабелируемых чипов, подобных LEGO, без жестких соединений», — рассказала команда IE .
Результаты команды опубликованы в Nature Electronics .
По кирпичику
Конструкция включает чередующиеся слои чувствительных и обрабатывающих элементов, а также светоизлучающие диоды (LED), которые позволяют слоям чипа взаимодействовать оптически. Теперь в других конструкциях модульных микросхем обычно используется обычная проводка для передачи сигналов между слоями.
Такие сложные конструкции невозможно разорвать и перемонтировать, что делает сборные конструкции нереконфигурируемыми.
Вместо физических проводов в конструкции Массачусетского технологического института для передачи информации через чип используется свет. Слои можно менять местами или накладывать друг на друга для добавления новых датчиков или обновленных процессоров.
«Вы можете добавить столько вычислительных уровней и датчиков, сколько захотите, например, для света, давления и даже запаха», — сказал в пресс-релизе постдоктор Массачусетского технологического института Джихун Кан . Мы называем это реконфигурируемым ИИ-чипом, подобным LEGO, потому что он имеет неограниченные возможности расширения в зависимости от комбинации слоев».
По словам команды, поскольку передача данных осуществляется с помощью света в свободном пространстве, чипы не являются жестко подключенными, что позволяет легко заменять их другими чипами с другими функциями.
Оптическая система обеспечивает связь
В настоящее время конструкция настроена на выполнение основных задач распознавания изображений, которые выполняются с помощью наслоения датчиков изображения, светодиодов и процессоров, сделанных из искусственных синапсов — массивов резисторов памяти, или « мемристоров », которые команда разработала ранее .
Массивы можно обучить обрабатывать и классифицировать сигналы непосредственно на чипе, без внешнего программного обеспечения или подключения к Интернету.
Датчики изображения были соединены с искусственными массивами синапсов, которые были обучены распознавать буквы M, I и T. Теперь, если бы это был традиционный подход, сигналы датчика передавались бы процессору по физическим проводам. Здесь команда изготовила оптическую систему между каждым датчиком и массивом искусственных синапсов, чтобы обеспечить связь между слоями без необходимости физического соединения.
«Другие чипы физически соединены металлом, что затрудняет их переделку и перепроектирование, поэтому вам придется делать новый чип, если вы хотите добавить какую-либо новую функцию», — сказал постдоктор Массачусетского технологического института Хюнсок Ким .
Как это работает?
Система оптической связи команды состоит из спаренных фотодетекторов и светодиодов с крошечными пикселями. Фотодетекторы оснащены датчиком изображения для приема данных, а светодиоды передают эти данные на следующий слой.
Поскольку компоненты должны работать как реконфигурируемый ИИ-чип, подобный LEGO, они должны быть совместимы.
«Сенсорный чип внизу получает сигналы из внешней среды и отправляет информацию на следующий чип выше с помощью световых сигналов. Следующий чип, который является процессорным уровнем, получает световую информацию, а затем обрабатывает заранее запрограммированную функцию. передача данных на основе света продолжается на другие чипы выше, таким образом выполняя многофункциональные задачи в целом», — пояснила команда.
Отлично сработано
Команда изготовила один чип с вычислительным ядром размером около четырех квадратных миллиметров. Чип состоит из трех «блоков» распознавания изображений, каждый из которых содержит датчик изображения, уровень оптической связи и массив искусственных синапсов для классификации одной из трех букв: М, И или Т.
Затем они поместили на чип пикселизированное изображение случайных букв и измерили электрический ток, который вырабатывал каждый массив нейронной сети в ответ.
Команда отметила, что чип правильно классифицировал четкие изображения каждой буквы. Он был менее способен различать размытые изображения, но исследователи смогли заменить уровень обработки чипа на более совершенный процессор.
Затем чип точно идентифицировал изображения.
«Каждый слой можно продавать отдельно, как видеоигру»
Самой большой проблемой исследователей была реализация надежной передачи данных между чипами на основе света.
«Мы разработали уникальную архитектуру устройства, состоящую из сквозных отверстий в кремниевых пластинах, которые работают как путь для эффективной связи на основе света без перекрестных помех между соседними пикселями», — рассказали ученые.
Так что же дальше?
«До сих пор мы только демонстрировали распознавание букв и функцию шумоподавления от светового входа в качестве демонстрации концепции. Реконфигурируемость нашей системы позволяет заменить сенсорный слой (который был датчиком изображения) на другие сенсорные слои. Таким образом, наша цель внедрить нашу систему для обработки других сенсорных входов, таких как тактильные, слуховые и другие биомедицинские сигналы», — сказали они.
Джихван Ким, доцент кафедры машиностроения в Массачусетском технологическом институте, сказал, что можно создать общую платформу микросхем, и каждый слой можно будет продавать отдельно, как видеоигру. «Мы могли бы создавать различные типы нейронных сетей, например, для распознавания изображений или голоса, и позволять покупателю выбирать то, что он хочет, и добавлять его к существующему чипу, такому как LEGO», — сказал он.
Хотя создание коммерческих продуктов — это «совершенно другая история», исследователи надеются, что в течение пяти лет смогут увидеть подобные Lego стекируемые и реконфигурируемые чипы ИИ
Бесплатная служба распространения новостей для научных организаций и стартапов
hello@technovery.com