Ingenieure bauen stapelbaren und rekonfigurierbaren KI-Chip

Ein Team von Ingenieuren am MIT hat einen neuen Chip für künstliche Intelligenz mit einem stapelbaren und rekonfigurierbaren Design entwickelt, der dabei hilft, vorhandene Sensoren und neuronale Netzwerkprozessoren auszutauschen und darauf aufzubauen. 

Der neue KI-Chip könnte zu einer nachhaltigeren Zukunft beitragen, in der Mobiltelefone, Smartwatches und andere tragbare Geräte nicht gegen ein neueres Modell ausgetauscht werden müssen. Sie könnten mit neuen Sensoren und Prozessoren aufgerüstet werden, die auf dem internen Chip eines Geräts einrasten. Rekonfigurierbare KI-Chips wie diese würden Geräte auf dem neuesten Stand halten und Elektroschrott reduzieren. 

Die Forschungsergebnisse wurden veröffentlicht in Naturelektronik. 

Entwerfen des Chips

Das LEGO-ähnliche Design des Chips besteht aus abwechselnden Schichten von Sensor- und Verarbeitungselementen sowie Leuchtdioden (LED), die eine optische Kommunikation der Schichten des Chips ermöglichen. 

Dieses neue Design verwendet Licht anstelle von physischen Drähten, um Informationen durch den Chip zu übertragen, was eine Neukonfiguration des Chips durch Austauschen oder Stapeln von Schichten ermöglicht. Dies könnte genutzt werden, um neue Sensoren oder aktualisierte Prozessoren hinzuzufügen. 

Jihoon Kang ist MIT-Postdoc. 

„Sie können beliebig viele Rechenebenen und Sensoren hinzufügen, beispielsweise für Licht, Druck und sogar Geruch“, sagt Kang. „Wir nennen dies einen LEGO-ähnlichen rekonfigurierbaren KI-Chip, weil er je nach Schichtkombination unbegrenzt erweiterbar ist.“

Die Forscher werden versuchen, das Design auf Edge-Computing-Geräte, autarke Geräte und andere elektronische Geräte anzuwenden, die unabhängig von einer zentralen oder verteilten Ressource arbeiten. 

Jeehwan Kim ist außerordentlicher Professor für Maschinenbau am MIT. 

„Wenn wir in die Ära des Internets der Dinge eintreten, das auf Sensornetzwerken basiert, wird die Nachfrage nach multifunktionalen Edge-Computing-Geräten dramatisch zunehmen“, sagt Kim. „Unsere vorgeschlagene Hardware-Architektur wird in Zukunft eine hohe Vielseitigkeit des Edge Computing bieten.“

Das neue Design ist so konfiguriert, dass es grundlegende Bilderkennungsaufgaben über eine Schichtung von Bildsensoren, LEDs und Prozessoren aus künstlichen Synapsen ausführt. Die Forscher kombinierten Bildsensoren mit künstlichen Synapsen-Arrays, wobei jedes Array darauf trainiert wurde, bestimmte Buchstaben zu erkennen. Das Team konnte die Kommunikation zwischen den Schichten erreichen, ohne dass eine physische Verbindung erforderlich war. 

Hyunseok Kim ist MIT-Postdoc. 

„Andere Chips sind physisch durch Metall verdrahtet, was eine Neuverdrahtung und Neugestaltung erschwert. Um neue Funktionen hinzuzufügen, müsste man einen neuen Chip herstellen“, sagt Kim. „Wir haben diese physische Kabelverbindung durch ein optisches Kommunikationssystem ersetzt, das uns die Freiheit gibt, Chips nach Belieben zu stapeln und hinzuzufügen.“

Dieses optische Kommunikationssystem besteht aus gepaarten Fotodetektoren und LEDs, die jeweils mit winzigen Pixeln gemustert sind. Die Fotodetektoren bilden einen Bildsensor zum Empfangen von Daten und LEDs zum Übertragen von Daten an die nächste Schicht. Wenn ein Signal den Bildsensor erreicht, kodiert das Lichtmuster des Bildes eine Konfiguration von LED-Pixeln, die dann eine weitere Schicht von Fotodetektoren stimuliert, zusammen mit einem künstlichen Synapsen-Array, das das Signal basierend auf dem Muster und der Stärke des LED-Lichts klassifiziert. 

Erstellen eines stapelbaren Chips

Der hergestellte Chip verfügt über einen etwa 4 Quadratmillimeter großen Rechenkern und ist mit drei Bilderkennungs-„Blöcken“ gestapelt, von denen jeder einen Bildsensor, eine optische Kommunikationsschicht und ein künstliches Synapsen-Array zur Klassifizierung umfasst. 

Min-Kyu Song ist ein weiterer MIT-Postdoc. 

„Wir haben Stapelbarkeit, Austauschbarkeit und die Fähigkeit gezeigt, eine neue Funktion in den Chip einzufügen“, sagt Song.

Die Forscher werden nun versuchen, dem Chip weitere Sensor- und Verarbeitungsfähigkeiten hinzuzufügen. 

„Wir können der Kamera eines Mobiltelefons Schichten hinzufügen, damit sie komplexere Bilder erkennen kann, oder sie in Gesundheitsmonitore umwandeln, die in tragbare elektronische Haut eingebettet werden können“, sagt Choi. 

Das Team sagt, dass modulare Chips in die Elektronik eingebaut werden könnten und es den Verbrauchern ermöglichen würden, sich für den Aufbau mit den neuesten Sensor- und Prozessor-„Bausteinen“ zu entscheiden. 

„Wir können eine allgemeine Chipplattform erstellen und jede Schicht könnte wie ein Videospiel separat verkauft werden“, sagt Jeehwan Kim. „Wir könnten verschiedene Arten von neuronalen Netzen herstellen, etwa für die Bild- oder Spracherkennung, und den Kunden wählen lassen, was er möchte, und diese wie ein LEGO zu einem vorhandenen Chip hinzufügen.“