Ingenieure bauen stapelbare und rekonfigurierbare KI-Chip

Ein Team von Ingenieuren am MIT hat einen neuen künstlichen Intelligenz-Chip mit einem Design entwickelt, das stapelbar und rekonfigurierbar ist, was das Austauschen und Hinzufügen bestehender Sensoren und Neural-Netz-Prozessoren erleichtert.

Der neue KI-Chip könnte dazu beitragen, eine nachhaltigere Zukunft zu erreichen, in der Smartphones, Smartwatches und andere tragbare Geräte nicht mehr für ein neueres Modell entsorgt werden müssen. Sie könnten stattdessen mit neuen Sensoren und Prozessoren aufgerüstet werden, die auf den internen Chip des Geräts geschnappt werden. Rekonfigurierbare KI-Chips wie diese würden Geräte auf dem neuesten Stand halten und elektronischen Abfall reduzieren.

Die Forschungsergebnisse wurden in Nature Electronics veröffentlicht.

Entwicklung des Chips

Das LEGO-ähnliche Design des Chips besteht aus abwechselnden Schichten von Sensorelementen und Prozessorelementen sowie Leuchtdioden (LED), die es dem Chip ermöglichen, optisch zu kommunizieren.

Dieses neue Design verwendet Licht anstelle von physikalischen Drähten, um Informationen durch den Chip zu übertragen, was es ermöglicht, den Chip zu rekonfigurieren, indem Schichten ausgetauscht oder gestapelt werden. Dies könnte verwendet werden, um neue Sensoren oder aktualisierte Prozessoren hinzuzufügen.

Jihoon Kang ist ein Postdoktorand am MIT.

“Man kann so viele Rechenschichten und Sensoren hinzufügen, wie man will, wie zum Beispiel für Licht, Druck und sogar Geruch”, sagt Kang. “Wir nennen dies einen LEGO-ähnlichen rekonfigurierbaren KI-Chip, da er eine unbegrenzte Erweiterbarkeit je nach Kombination der Schichten hat.”

Die Forscher werden das Design auf Edge-Computing-Geräte, selbstständige Geräte und andere Elektronik anwenden, die unabhängig von einer zentralen oder verteilten Ressource arbeiten.

Jeehwan Kim ist Associate Professor für Maschinenbau am MIT.

“Wenn wir in die Ära des Internet der Dinge auf der Grundlage von Sensornetzwerken eintreten, wird die Nachfrage nach multifunktionalen Edge-Computing-Geräten dramatisch ansteigen”, sagt Kim. “Unsere vorgeschlagene Hardware-Architektur wird eine hohe Vielseitigkeit von Edge-Computing in der Zukunft bieten.”

Das neue Design ist so konfiguriert, dass es grundlegende Bilderkennungsaufgaben durch eine Schichtung von Bildsensoren, LEDs und Prozessoren aus künstlichen Synapsen ausführen kann. Die Forscher haben Bildsensoren mit künstlichen Synapsen-Arrays gepaart, wobei jedes Array so trainiert wurde, dass es bestimmte Buchstaben erkennt. Das Team konnte eine Kommunikation zwischen den Schichten ohne physikalische Verbindung herstellen.

Hyunseok Kim ist ein Postdoktorand am MIT.

“Andere Chips sind physikalisch durch Metall verbunden, was sie schwer umzuverdrahten und umzudesignen macht, so dass man einen neuen Chip herstellen müsste, wenn man eine neue Funktion hinzufügen wollte”, sagt Kim. “Wir haben diese physikalische Verbindung durch ein optisches Kommunikationssystem ersetzt, das uns die Freiheit gibt, Chips zu stapeln und hinzuzufügen, wie wir es wollen.”

Dieses optische Kommunikationssystem besteht aus Paaren von Photodetektoren und LEDs, die jeweils mit winzigen Pixeln musterförmig angeordnet sind. Die Photodetektoren bilden einen Bildsensor für den Empfang von Daten, und LEDs übertragen Daten auf 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 Photodetektoren und ein künstliches Synapsen-Array anregt, das das Signal basierend auf dem Muster und der Stärke des LED-Lichts klassifiziert.

Erstellung eines stapelbaren Chips

Der hergestellte Chip hat einen Rechekern, der etwa 4 Quadratmillimeter misst, und ist mit drei Bilderkennungs-“Blöcken” gestapelt, von denen jeder einen Bildsensor, eine optische Kommunikationsschicht und ein künstliches Synapsen-Array für die Klassifizierung enthält.

Min-Kyu Song ist ein weiterer Postdoktorand am MIT.

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

Die Forscher werden nun weitere Sensoren und Rechenfähigkeiten zum Chip hinzufügen.

“Wir können Schichten zu einer Kamera eines Smartphones 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 Elektronik gebaut werden könnten und es Verbrauchern ermöglichen, mit den neuesten Sensoren und Prozessor-“Bausteinen” aufzurüsten.

“Wir können eine allgemeine Chip-Plattform erstellen, und jede Schicht könnte separat wie ein Videospiel verkauft werden”, sagt Jeehwan Kim. “Wir könnten verschiedene Arten von neuronalen Netzen erstellen, wie zum Beispiel für Bild- oder Spracherkennung, und den Kunden die Wahl lassen, was sie wollen, und es einem bestehenden Chip wie einem LEGO hinzufügen.”