Integrazione eterogenea riconfigurabile mediante chip impilabili con intelligenza artificiale incorporata
Le applicazioni di intelligenza artificiale hanno cambiato il panorama della progettazione dei computer, guidando la ricerca di un’architettura hardware in grado di elaborare in modo efficiente grandi quantità di dati. L’integrazione eterogenea tridimensionale con tecnologie di confezionamento avanzate potrebbe essere utilizzata per migliorare la larghezza di banda dei dati tra sensori, memoria e processori. Tuttavia, tali sistemi sono limitati dalla mancanza di riconfigurabilità hardware e dall’uso delle architetture von Neumann convenzionali. Qui riportiamo chip etero-integrati impilabili che utilizzano array di dispositivi optoelettronici per la comunicazione da chip a chip e core neuromorfici basati su array di barre incrociate di memristore per l’elaborazione dei dati altamente parallela. Con questo approccio, creiamo un sistema con chip impilabili e sostituibili in grado di classificare direttamente le informazioni da una sorgente di immagini basata sulla luce. Modifichiamo anche questo sistema inserendo uno strato di denoising neuromorfico preprogrammato che migliora le prestazioni di classificazione in un ambiente rumoroso. La nostra tecnologia etero-integrata tridimensionale riconfigurabile può essere utilizzata per impilare verticalmente una vasta gamma di livelli funzionali e potrebbe fornire sistemi di elaborazione dei sensori ad alta efficienza energetica per applicazioni di edge computing.
Un team di ingegneri del MIT ha costruito un nuovo chip di intelligenza artificiale con un design impilabile e riconfigurabile, che aiuta a sostituire e costruire su sensori e processori di reti neurali esistenti.
Il nuovo chip AI potrebbe aiutare a raggiungere un futuro più sostenibile in cui cellulari, orologi intelligenti e altri dispositivi indossabili non devono essere scartati per un modello più nuovo. Potrebbero essere aggiornati con nuovi sensori e processori che si agganciano al chip interno di un dispositivo. Chip AI riconfigurabili come questi manterrebbero i dispositivi aggiornati e ridurrebbero gli sprechi elettronici.
I risultati della ricerca sono stati pubblicati su Nature Electronics .
Progettare il chip
Il design simile a LEGO del chip comprende strati alternati di elementi di rilevamento ed elaborazione, nonché diodi a emissione di luce (LED) che consentono agli strati del chip di comunicare otticamente.
Questo nuovo design utilizza la luce anziché i cavi fisici per trasmettere informazioni attraverso il chip, il che consente di riconfigurare il chip, con strati che vengono scambiati o impilati. Questo potrebbe essere utilizzato per aggiungere nuovi sensori o processori aggiornati.
Jihoon Kang è un post-dottorato del MIT.
“Puoi aggiungere tutti i livelli di elaborazione e i sensori che desideri, ad esempio per la luce, la pressione e persino l’odore”, afferma Kang. “Lo chiamiamo un chip AI riconfigurabile simile a LEGO perché ha un’espandibilità illimitata a seconda della combinazione di livelli”.
I ricercatori cercheranno di applicare il progetto a dispositivi di edge computing, dispositivi autosufficienti e altri dispositivi elettronici che funzionano indipendentemente da una risorsa centrale o distribuita.
Jeehwan Kim è professore associato di ingegneria meccanica al MIT.
“Mentre entriamo nell’era dell’Internet delle cose basato sulle reti di sensori, la domanda di dispositivi di edge computing multifunzione aumenterà notevolmente”, afferma Kim. “La nostra architettura hardware proposta fornirà un’elevata versatilità dell’edge computing in futuro.”
Il nuovo design è configurato per svolgere attività di riconoscimento delle immagini di base tramite una stratificazione di sensori di immagine, LED e processori realizzati con sinapsi artificiali. I ricercatori hanno accoppiato sensori di immagine con array di sinapsi artificiali, con ogni array addestrato a riconoscere determinate lettere. Il team è stato in grado di ottenere la comunicazione tra i livelli senza la necessità di una connessione fisica.
Hyunseok Kim è un post-dottorato del MIT.
“Altri chip sono fisicamente cablati attraverso il metallo, il che li rende difficili da ricablare e riprogettare, quindi è necessario creare un nuovo chip se si desidera aggiungere una nuova funzione”, afferma Kim. “Abbiamo sostituito quella connessione fisica del cavo con un sistema di comunicazione ottica, che ci dà la libertà di impilare e aggiungere chip nel modo desiderato”.
Questo sistema di comunicazione ottica è costituito da fotorilevatori e LED accoppiati, ciascuno modellato con minuscoli pixel. I fotorilevatori costituiscono un sensore di immagine per la ricezione dei dati e dei LED per trasmettere i dati al livello successivo. Quando un segnale raggiunge il sensore di immagine, il pattern di luce dell’immagine codifica una configurazione di pixel LED che poi stimola un altro livello di fotorilevatori, insieme a un array di sinapsi artificiale che classifica il segnale in base al pattern e alla forza della luce LED.
Creazione di un chip impilabile
Il chip fabbricato ha un nucleo di elaborazione che misura circa 4 millimetri quadrati ed è impilato con tre “blocchi” di riconoscimento delle immagini, ciascuno dei quali comprende un sensore di immagine, uno strato di comunicazione ottica e un array di sinapsi artificiali per la classificazione.
Min-Kyu Song è un altro post-dottorato del MIT.
“Abbiamo dimostrato impilabilità, sostituibilità e la capacità di inserire una nuova funzione nel chip”, afferma Song.
I ricercatori ora cercheranno di aggiungere più capacità di rilevamento e di elaborazione al chip.
“Possiamo aggiungere livelli alla fotocamera di un cellulare in modo che possa riconoscere immagini più complesse o trasformarle in monitor sanitari che possono essere incorporati in una pelle elettronica indossabile”, afferma Choi.
Il team afferma che i chip modulari potrebbero essere integrati nell’elettronica e consentire ai consumatori di scegliere di costruire con i più recenti “mattoni” di sensori e processori.
“Possiamo creare una piattaforma di chip generale e ogni livello potrebbe essere venduto separatamente come un videogioco”, afferma Jeehwan Kim. “Potremmo creare diversi tipi di reti neurali, come per il riconoscimento di immagini o voce, e lasciare che il cliente scelga ciò che desidera e aggiunga a un chip esistente come un LEGO”.
