MIT-Ingenieure haben einen LEGO-ähnlichen stapelbaren, rekonfigurierbaren KI-Chip entwickelt. Bubbers13/iStock
Was wäre, wenn Sie Ihre Handys, Smartwatches und andere tragbare Geräte nie für ein neueres Modell wegwerfen müssten?
Klingt nicht wahrscheinlich, oder?
Forscher am Massachusetts Institute of Technology haben genau das getan. Sie dachten, solche elektronischen Geräte könnten mit den neuesten Sensoren und Prozessoren aufgerüstet werden, die auf den internen Chip eines Geräts aufschnappen würden - wie LEGO-Steine.
Eine solche rekonfigurierbare Chipware könnte Geräte auf dem neuesten Stand halten und gleichzeitig Elektronikschrott reduzieren.
"Uns ist aufgefallen, dass herkömmliche Chips mit fest verdrahteten Verbindungen nicht rekonfigurierbar sind, was bedeutet, dass die Funktionalität eines Systems festgelegt ist. Im Umfeld des Internets der Dinge IoT wächst das Interesse an Multifunktionalitätund Rekonfigurierbarkeit in Kombination mit Sensornetzwerken, und so entstand die Idee von LEGO-ähnliche stapelbare Chipsohne festverdrahtete Verbindungen“, sagte das TeamIE.
Die Teamergebnisse sind veröffentlicht in Naturelektronik.
Stein für Stein
Das Design umfasst abwechselnde Schichten von Sensor- und Verarbeitungselementen sowie Leuchtdioden LED, die es den Schichten des Chips ermöglichen, optisch zu kommunizieren. Jetzt andere modulare Chipdesigns Verwenden Sie im Allgemeinen eine herkömmliche Verkabelung, um Signale zwischen Schichten weiterzuleiten.
Solche komplizierten Designs können nicht getrennt und neu verdrahtet werden, wodurch stapelbare Designs nicht rekonfigurierbar sind.
Anstelle von physischen Drähten verwendet das MIT-Design Licht, um Informationen durch den Chip zu übertragen. Schichten können ausgetauscht oder gestapelt werden, um neue Sensoren oder aktualisierte Prozessoren hinzuzufügen.
"Sie können so viele Rechenschichten und Sensoren hinzufügen, wie Sie möchten, z. B. für Licht, Druck und sogar Geruch", MIT Postdoc Jihoon Kang sagtein einer Pressemitteilung . Wir nennen dies einen LEGO-ähnlichen rekonfigurierbaren KI-Chip, da er je nach Kombination der Schichten unbegrenzt erweiterbar ist.
Da die Datenübertragung durch Licht im freien Raum erfolgt, sind die Chips nicht fest verdrahtet, sodass sie leicht durch andere Chips mit anderen Funktionen ersetzt werden können, sagte das Team.
Ein optisches System ermöglicht die Kommunikation
Derzeit ist das Design so konfiguriert, dass grundlegende Bilderkennungsaufgaben ausgeführt werden, was durch eine Schichtung von Bildsensoren, LEDs und Prozessoren aus künstlichen Synapsen – Arrays von Speicherwiderständen oder " erfolgt.Memristoren," dass das Team zuvor entwickelt , die zusammen als physisches neuronales Netzwerk oder "Brain-on-a-Chip" fungieren.
Arrays können darauf trainiert werden, Signale direkt auf einem Chip zu verarbeiten und zu klassifizieren, ohne externe Software oder eine Internetverbindung.
Bildsensoren wurden mit künstlichen Synapsen-Arrays gepaart – die darauf trainiert wurden, die Buchstaben M, I und T zu erkennen. Wenn es nun ein herkömmlicher Ansatz wäre, würden die Signale des Sensors über physische Drähte an einen Prozessor weitergeleitet. Hier, dieTeam stellte ein optisches System zwischen jedem Sensor und künstlichen Synapsen-Array her, um die Kommunikation zwischen den Schichten zu ermöglichen w ohne dass eine physische Verbindung erforderlich ist.
„Andere Chips sind physisch durch Metall verdrahtet, was ihre Neuverdrahtung und Neugestaltung erschwert, sodass Sie einen neuen Chip herstellen müssten, wenn Sie eine neue Funktion hinzufügen wollten“, sagte MIT Postdoc Hyunseok Kim.
Wie funktioniert es?
Das optische Kommunikationssystem des Teams besteht aus gepaarten Fotodetektoren und LEDs mit winzigen Pixeln gemustert. Die Fotodetektoren verfügen über einen Bildsensor zum Empfangen von Daten, und LEDs übertragen diese Daten an die nächste Schicht.
Da die Komponenten wie ein LEGO-ähnlicher rekonfigurierbarer KI-Chip funktionieren müssen, müssen sie kompatibel sein.
"Der untere sensorische Chip empfängt Signale von der äußeren Umgebung und sendet die Informationen durch Lichtsignale an den nächsten Chip darüber. Der nächste Chip, der eine Prozessorschicht ist, empfängt die Lichtinformationen und verarbeitet dann die vorprogrammierte Funktion. Eine solche lichtbasierte Datenübertragung wird zu anderen oben genannten Chips fortgesetzt und erfüllt so multifunktionale Aufgaben als Ganzes", erklärte das Team.
Gut gespielt
Das Team stellte einen einzelnen Chip mit einem Rechenkern her, der etwa vier Quadratmillimeter groß war. Der Chip ist mit drei Bilderkennungs-"Blöcken" gestapelt, die jeweils einen Bildsensor, eine optische Kommunikationsschicht und ein künstliches Synapsen-Array zur Klassifizierung von einem von dreien umfassenBuchstaben, M, I oder T.
Dann leuchteten sie ein pixeliges Bild zufälliger Buchstaben auf den Chip und maßen den elektrischen Strom, den jedes neurale Netzwerk als Antwort erzeugte.
Das Team stellte fest, dass der Chip klare Bilder jedes Buchstabens korrekt klassifizierte. Es war weniger in der Lage, zwischen verschwommenen Bildern zu unterscheiden, aber die Forscher konnten die Verarbeitungsschicht des Chips gegen einen besseren Prozessor austauschen.
Der Chip hat die Bilder dann genau identifiziert.
'Jede Ebene könnte wie ein Videospiel separat verkauft werden'
Die größte Herausforderung der Forscher bestand darin, eine zuverlässige lichtbasierte Datenübertragung zwischen Chips zu realisieren.
„Wir haben eine einzigartige Gerätearchitektur entwickelt, die aus Durchgangslöchern in Siliziumwafern besteht, die als Weg für eine effiziente lichtbasierte Kommunikation ohne Übersprechen zwischen benachbarten Pixeln dienen“, sagten sie uns.
Also, was kommt als nächstes?
"Bisher haben wir nur die Buchstabenerkennung und Entrauschungsfunktion aus Lichteinfall als Proof-of-Concept-Demonstration gezeigt. Die Rekonfigurierbarkeit unseres Systems ermöglicht es, die sensorische Ebene die der Bildsensor war auf andere sensorische Ebenen umzustellen. Dadurch, wollen wir unser System implementieren, um andere sensorische Eingaben wie haptische, auditive und andere biomedizinische Signale zu verarbeiten", sagten sie.
Jeehwan Kim, außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT, sagte, dass eine allgemeine Chipplattform hergestellt werden könnte und jede Schicht separat wie ein Videospiel verkauft werden könnte. „Wir könnten verschiedene Arten von neuronalen Netzen herstellen, etwa für Bild oder SpracheAnerkennung, und lassen Sie den Kunden wählen, was er möchte, und fügen Sie einen vorhandenen Chip wie ein LEGO hinzu", sagte er.
Obwohl die Herstellung kommerzieller Produkte eine „völlig andere Geschichte“ ist, hoffen die Forscher, solche Lego-ähnlichen stapelbaren und stapelbaren Produkte sehen zu können. rekonfigurierbare KI-Chipsinnerhalb von fünf Jahren.