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Imagine un futuro más sostenible, donde los teléfonos celulares, los relojes inteligentes y otros dispositivos portátiles no tengan que dejarse de lado o desecharse por un modelo más nuevo. En su lugar, podrían actualizarse con los últimos sensores y procesadores que encajarían en el chip interno de un dispositivo, como ladrillos LEGO incorporados en una construcción existente. Estos chips reconfigurables podrían mantener los dispositivos actualizados mientras reducen nuestros desechos electrónicos.
Los ingenieros del MIT ahora han dado un paso hacia esta visión modular con un diseño tipo LEGO para un chip de inteligencia artificial apilable y reconfigurable.
El diseño incluye capas alternas de elementos de detección y procesamiento, así como diodos emisores de luz (LED) que permiten que las capas del chip se comuniquen ópticamente. Otros diseños de chips modulares utilizan cableado convencional para transmitir señales entre capas. Estas conexiones complejas son difíciles, si no imposibles, de cortar y volver a cablear, lo que hace que estos diseños apilables no sean reconfigurables.
El diseño del MIT usa luz en lugar de cables físicos para transmitir información a través del chip. Por lo tanto, el chip se puede reconfigurar, con capas que se pueden intercambiar o apilar, por ejemplo, para agregar nuevos sensores o procesadores actualizados.
«Puede agregar tantas capas computacionales y sensores como desee, por ejemplo, para la luz, la presión e incluso el olor», dice Jihoon Kang, becario postdoctoral en el MIT. «Lo llamamos un chip AI reconfigurable similar a LEGO porque tiene una extensibilidad ilimitada dependiendo de la combinación de capas».
Los investigadores están ansiosos por aplicar el diseño a los dispositivos informáticos de borde: sensores autónomos y otros dispositivos electrónicos que funcionan independientemente de cualquier recurso central o distribuido, como supercomputadoras o computación en la nube.
“A medida que ingresamos en la era de la Internet de las cosas basada en la red de sensores, la demanda de dispositivos informáticos multifunción avanzados aumentará drásticamente”, dice Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. «Nuestra arquitectura de hardware propuesta proporcionará una gran versatilidad para la informática de punta en el futuro».
Los resultados del equipo se publican hoy en Electrónica natural. Además de Kim y Kang, los autores del MIT incluyen a los coautores Chanyeol Choi, Hyunseok Kim y Min-Kyu Song, y los autores contribuyentes 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 y Peng Lin, junto con colaboradores de la Universidad de Harvard, la Universidad de Tsinghua, la Universidad de Zhejiang y además.
iluminar el camino
El diseño del equipo está configurado actualmente para realizar tareas básicas de reconocimiento de imágenes. Lo hace a través de una superposición de sensores de imagen, LED y procesadores hechos de sinapsis artificiales: redes de resistencias de memoria, o «memristores», que el equipo desarrolló previamente, que funcionan juntas como una red neuronal física o «cerebro en- Una papa.» Cada matriz se puede entrenar para procesar y clasificar señales directamente en un chip, sin necesidad de software externo o conexión a Internet.
En su nuevo diseño de chip, los investigadores combinaron sensores de imagen con redes de sinapsis artificiales, cada una de las cuales fue entrenada para reconocer ciertas letras, en este caso, M, I y T. Mientras que un enfoque convencional sería transmitir señales desde un sensor a un procesador a través de cables físicos, el equipo fabricó un sistema óptico entre cada sensor y una red de sinapsis artificiales para permitir la comunicación entre las capas, sin necesidad de una conexión física.
«Otros chips están cableados físicamente a través del metal, lo que los hace difíciles de volver a cablear y rediseñar, por lo que tendrá que crear un nuevo chip si desea agregar una nueva función», dice Hyunseok Kim, postdoctorado del MIT. «Reemplazamos esa conexión física por cable con un sistema de comunicación óptica, lo que nos da la libertad de apilar y agregar chips como deseemos».
El sistema de comunicación óptica del equipo consta de un par de fotodetectores y LED, cada uno adornado con pequeños píxeles. Los fotodetectores constituyen un sensor de imagen para recibir datos y los LED para transmitir datos a la siguiente capa. Cuando una señal (por ejemplo, la imagen de una letra) llega al sensor de imagen, el patrón de luz de la imagen codifica una determinada configuración de píxeles LED, que a su vez estimula otra capa de fotodetectores, así como una red de sinapsis artificiales, que clasifica la señal según el patrón y la intensidad de la luz LED entrante.
amontonar
El equipo fabricó un solo chip, con un núcleo de computación que medía unos 4 milímetros cuadrados, o del tamaño de un trozo de confeti. El chip está apilado con tres «bloques» de reconocimiento de imágenes, cada uno de los cuales comprende un sensor de imagen, una capa de comunicación óptica y una serie de sinapsis artificiales para clasificar una de las tres letras, M, I o T. Luego proyectaron una imagen pixelada de letras aleatorias. en el chip y midió la corriente eléctrica que cada red neuronal produjo en respuesta. (Cuanto mayor sea la corriente, más probable es que la imagen sea la letra que la placa en particular está entrenada para reconocer).
El equipo descubrió que el chip clasificaba correctamente las imágenes claras de cada letra, pero era menos capaz de distinguir entre imágenes borrosas, por ejemplo, entre I y T. Sin embargo, los investigadores pudieron cambiar rápidamente el procesamiento del chip de capa para una mejor «eliminación de ruido». y encontró el chip y luego identificó con precisión las imágenes.
«Mostramos capacidad de apilamiento, reemplazabilidad y la capacidad de insertar una nueva función en el chip», señala Min-Kyu Song, un postdoctorado en el MIT.
Los investigadores planean agregar más capacidades de detección y procesamiento al chip, y prevén aplicaciones ilimitadas.
«Podemos agregar capas a la cámara de un teléfono celular para que pueda reconocer imágenes más complejas o convertirlas en monitores de atención médica que se puedan integrar en una piel electrónica portátil», sugiere Choi, quien, junto con Kim, desarrolló previamente una piel «inteligente». para el seguimiento de la vida. paneles
Otra idea, agrega, involucra chips modulares con componentes electrónicos que los consumidores pueden elegir construir con los últimos «bloques de construcción» de sensores y procesadores.
«Podemos crear una plataforma general de chips y cada capa podría venderse por separado como un videojuego», dice Jeehwan Kim. «Podríamos crear diferentes tipos de redes neuronales, como para reconocimiento de imagen o voz, y dejar que el cliente elija lo que quiere, y agregarlo a un chip existente como un LEGO».
Esta investigación fue financiada, en parte, por el Ministerio de Comercio, Industria y Energía (MOTIE) de Corea del Sur; Instituto de Ciencia y Tecnología de Corea (KIST); y el programa de extensión de investigación global de Samsung.
