Den ukendte teknologi bag en ny generation af Edge AI-enheder

Du har måske ikke hørt om piezoMEMS – men nye anvendelser af denne lille, spilforandrende teknologi er parat til at forme fremtiden for AI på kanten.

I 2023 estimerede forskere, at brugen af generativ kunstig intelligens (genAI) til at oprette et billede brugte lige så meget energi som at oplade en smartphone. Forestil dig nu at generere AI-billeder med din smartphone.

Da AI flytter til kantenheder som smartphones og AR-briller, vil de mest overbevisende og udbredte anvendelser sandsynligvis dreje sig om realtids-, personlige og kontekstbevidste oplevelser. Disse enheder er altid med os, så AI kan udnytte deres sensorer – kameraer, mikrofoner, GPS, accelerometre – til at levere gnidningsløse, lav-forsinkelsesløsninger og oplevelser.

Tænk på AI som en altid tilstedeværende hjælper, der giver realtidskontekstuel assistance. På smartphones kan dette betyde øjeblikkelig sprogoversættelse under samtaler eller rejser, som at pege kameraet på et skilt og få en overlay på dit modersmål. For AR-briller er det endnu mere essentiel – forestil dig at gå gennem en by og have historiske fakta, restaurantanmeldelser eller navigationshint projiceret ind i dit syn, alt tilpasset dine interesser og uden at skulle trække en enhed frem. Da edge AI behandler data lokalt, er det en sejr for tillid og dataprivatliv.

Men selv om løftet for edge AI er åbenlyst og overbevisende, er der stadig hårdvaruudfordringer.

• Udfordring 1 – Termisk: Lige som AI-datacentre er edge AI-enheder termisk begrænsede, ikke MIPS/compute-begrænsede. Smartphones er allerede ved deres termiske grænser; edge AI-funktioner komplicerer blot problemet. Det samme gælder for AR-briller, da der integreres mere beregning, optik og mikrodisplays.
• Udfordring 2 – Størrelse/Vægt/Formfaktor: Dette er en enorm udfordring for AR-briller, da fabrikanter søger den hellige gral af at balancere komforten ved at bære hele dagen (vægt) med de nødvendige elektronik og batteriliv (præstation) i en mode-først, stylish formfaktor.
• Udfordring 3 – Conversational AI-lydkvalitet: Stemme vil være et dominerende interface, især med AR-briller, og giver mulighed for hurtig, håndfri operation. Men konventionelle spolehøjttalere er tykke og klodsede (se Udfordring 2) og opnår ikke deres maksimale potentiale i små, begrænsede rum. Desuden påvirker deres relativt dårlige del-til-del-konsistens negativt værditilføjet DSP-funktioner som f.eks. privatlivs- og samtalefokuseringsmodi.

Alligevel er kapløbet for at udføre genAI på kantenheder – smartphones, AR-briller og andre mobile enheder – i gang. Forskere ved Deloitte estimerer, at andelen af genAI-aktiverede smartphones kan overstige 30 procent af leverancerne ved årets udgang. For slet ikke at nævne en ny kategori af genAI-drevne smartbriller.

I kantenheder kommer en del af løsningen fra at genopfinde elektronikken, der går ind i dem.

PiezoMEMS-komponenter muliggør genAI på kanten

PiezoMEMS-teknologien løser udfordringerne med genAI i kantenheder. Ikke kun på grund af, hvad den gør, men hvordan den er lavet.

PiezoMEMS er en anvendelse af mikro-elektromekanisk systemteknologi, der bruger piezoelektriske materialer til at omdanne elektrisk energi til bevægelse, essentieligt en spændingsstyret luftstrøm. PiezoMEMS-komponenter fremstilles i en pålidelig, stabil og højgradigt ensartet halvlederproces, der muliggør masseproduktion af højeffektive, omkostningseffektive mikroelektronik i små, 1-millimeter tynde chip-pakninger.

Aktiv køling til termisk styring af kant AI

Ultrasoniske piezoMEMS-silicium-aktuatorer findes nu til at pumpe helt stille, vibrationsfrie pulser af luft til formålet med at køle tynde, rum-begrænsede elektroniske systemer – grundlæggende en ventilator på en chip.

Konsekvenserne for køling af kant AI-enheder er dybtgående. Den første piezoMEMS-mikroventilator er 96 procent mindre og lettere end traditionelle ventilatorer – og er den eneste aktive termiske styreenhed, der er lille og tynd nok til at kunne være inde i smartphones og AR-briller, og holder overflade- og komponenttemperaturer 15-30% koldere, samtidig med at det muliggør beregning på topprestation i længere perioder.

PiezoMEMS-højttalere som conversational AI-grænseflade

Størrelse og vægt: piezoMEMS-højttalere kan producere ekvivalent eller bedre højhed (lydtrykningsniveau [SPL]) som konventionelle spolehøjttalere, men til en brøkdel af størrelsen, tykkelsen og vægten. At anvende denne nye højttaler til AI-aktiverede briller kan bringe produkt-designere tættere på den hellige gral-balancering, der er nævnt tidligere i denne artikel.

Her er to eksempler. Først er piezoMEMS-højttaleren på 1 millimeter tyk ~70% tyndere end konventionelle spolehøjttalere, hvilket tillader, at armene på brillerne kan være tyndere og mere stylish.

For det andet er det blevet foreslået, at den ideelle vægt af briller er 30 gram for at opnå komfort ved at bære hele dagen. I AI-briller vejrer konventionelle spolehøjttalere typisk ~2 gram hver. Med en i hver arm (4 gram i alt) bidrager højttalerne med ~15% af den samlede vægt af systemet. PiezoMEMS-højttalere, på ~150 milligram hver, kan fjerne >90% af den vægt, der bidrages af højttalerne, og bringe AR-briller tættere på 30-grams-målet.

Lydklarhed. Ud over sin små størrelse og vægt forbedrer piezoMEMS-højttalere også lydoplevelsen. De genererer ikke kun tilstrækkelig højhed i det åbne luft, men de excellerer også i at reproducere de høje frekvenser, der normalt er forbundet med forbedret taleforståelse og klarhed. Dette skyldes, at piezoMEMS leverer en hurtigere mekanisk respons end traditionelle højttalerdesigns med næsten ingen faseforskydning, hvilket betyder, at lyden er klar, detaljeret og præcis.

Forbedrede DSP-funktioner. Til sidst vil DSP-intensiv funktioner som f.eks. privatlivsmodi og rettet lyd fungere bedre med piezoMEMS-højttalere. Takket være ensartetheden og konsistensen af halvlederprocessen har disse højttalere næsten ideel del-til-del-højhed og fase-matching, hvilket giver en mere forudsigelig vindue for DSP-algoritmen til at fungere. Med mindre variation fra højttaleren kan DSP-algoritmerne forbedre præstationen med mindre proces-overhead.

At låse potentialet for kant AI-enheder op

Til sidst kræver det betydelig innovation at bringe kraften af generativ AI til forbruger-kantenheder. Ikke kun må fabrikanter overvinde fysikken, men de må også sikre den bedst mulige brugeroplevelse – uden at gå på kompromis med formfaktoren.

Nye innovationer i piezoMEMS-teknologi åbner muligheder for at fjerne termiske begrænsninger, levere forbedret taleforståelse til conversational AI og forbedre stil (tynd) og komfort (vægt) i kant AI-smartphones og AR-briller.

GenAI-økosystemet er stort og sammenhængende. PiezoMEMS kan være en nøgleaktiver.