Die unbekannte Technologie hinter einer neuen Generation von Edge-KI-Geräten

Sie haben vielleicht noch nie von PiezoMEMS gehört – aber neuartige Anwendungen dieser winzigen, bahnbrechenden Technologie werden die Zukunft der KI am Rande der Gesellschaft neu gestalten.

In 2023, Forscher geschätzt Die Verwendung generativer künstlicher Intelligenz (GenAI) zur Erstellung eines Bildes verbrauchte so viel Energie wie das Aufladen eines Smartphones. Stellen Sie sich nun vor, Sie würden KI-Bilder mit Ihrem Smartphone erstellen.

Da KI zunehmend auf Edge-Geräte wie Smartphones und AR-Brillen übergreift, werden die überzeugendsten und am weitesten verbreiteten Anwendungen wahrscheinlich auf Echtzeit-, personalisierten und kontextbezogenen Erlebnissen basieren. Diese Geräte sind immer bei uns, sodass die KI ihre Sensoren – Kameras, Mikrofone, GPS, Beschleunigungsmesser – nutzen kann, um nahtlose Lösungen und Erlebnisse mit geringer Latenz zu liefern.

Stellen Sie sich KI als allgegenwärtigen Begleiter vor, der kontextbezogene Unterstützung in Echtzeit bietet. Auf Smartphones könnte dies eine sofortige Sprachübersetzung während Gesprächen oder auf Reisen bedeuten, z. B. wenn Sie Ihre Kamera auf ein Schild richten und eine Einblendung in Ihrer Muttersprache erhalten. Bei AR-Brillen ist es sogar noch einprägsamer: Stellen Sie sich vor, Sie gehen durch eine Stadt und bekommen historische Fakten, Restaurantkritiken oder Navigationshinweise in Ihr Sichtfeld projiziert – alles auf Ihre Interessen zugeschnitten und ohne dass Sie ein Gerät herausholen müssen. Da Edge-KI Daten lokal verarbeitet, ist dies ein Gewinn für Vertrauen und Datenschutz.

Während das Versprechen für Rand AI ist offensichtlich und zwingend, Hardware-Herausforderungen bleiben bestehen.

• Herausforderung 1 – Thermisch: Genau wie KI-Rechenzentren unterliegen Edge-KI-Geräte thermischen Limits, nicht MIPS-/Rechenlimits. Smartphones stoßen bereits an ihre thermischen Grenzen; Edge-KI-Funktionen verschärfen das Problem nur noch. Dasselbe gilt für AR-Brillen, da mehr Rechenleistung, Optik und Mikrodisplays integriert werden.
• Herausforderung 2 – Größe/Gewicht/Formfaktor: Dies stellt eine enorme Herausforderung für AR-Brillen dar, da die Hersteller nach dem ultimativen Gleichgewicht suchen, nämlich ganztägigen Tragekomfort (Gewicht) mit der erforderlichen Elektronik und Akkulaufzeit (Leistung) in einem modischen, eleganten Formfaktor zu verbinden.
• Herausforderung 3 – Konversations-KI-Audioqualität: Die Sprache wird eine dominierende Schnittstelle sein, insbesondere mit AR-Brillen, ermöglicht eine schnelle, freihändige Bedienung. Herkömmliche Spulenlautsprecher sind jedoch dick und sperrig (siehe Herausforderung 2) und erreichen in engen, beengten Räumen nicht ihr volles Potenzial. Darüber hinaus wirkt sich ihre relativ schlechte Bauteilkonsistenz negativ auf wertschöpfende DSP-Funktionen wie Datenschutz- und Gesprächsfokusmodus aus.

Dennoch ist der Wettlauf um die Implementierung generischer KI auf Edge-Geräten – Smartphones, AR-Brillen und anderen Mobilgeräten – im Gange. Forscher bei Deloitte Schätzungen zufolge könnte der Anteil genAI-fähiger Smartphones bis Ende dieses Jahres 30 Prozent der Auslieferungen übersteigen. Ganz zu schweigen von eine neue Kategorie genAI-betriebener Smart Glasses.

Bei Edge-Geräten besteht ein Teil der Lösung darin, die darin verbaute Elektronik neu zu konzipieren.

PiezoMEMS-Komponenten ermöglichen GenAI am Edge

Die PiezoMEMS-Technologie bewältigt die Herausforderungen der GenAI in Edge-Geräten. Nicht nur aufgrund ihrer Funktion, sondern auch aufgrund ihrer Herstellung.

PiezoMEMS ist eine Anwendung der mikroelektromechanischen Systemtechnologie, die piezoelektrische Materialien nutzt, um elektrische Energie in Bewegung umzuwandeln – im Wesentlichen eine spannungsgesteuerte Luftstromquelle. PiezoMEMS-Komponenten werden in einem zuverlässigen, stabilen und hochgradig gleichmäßigen Halbleiterprozess hergestellt. Dies ermöglicht die Massenproduktion hocheffizienter und kostengünstiger Mikroelektronik in kleinen, 1 Millimeter dünnen Chipgehäusen.

Aktive Kühlung für Edge AI-Wärmemanagement

Mittlerweile gibt es Ultraschall-PiezoMEMS-Siliziumaktoren, die völlig geräuschlose, vibrationsfreie Luftimpulse pumpen und so dünne, platzbeschränkte Elektroniksysteme kühlen – im Grunde ein Lüfter auf einem Chip.

Die Auswirkungen auf die Kühlung von Edge-KI-Edge-Geräten sind tiefgreifend. Der erste PiezoMEMS-Mikrolüfter ist 96 Prozent kleiner und leichter als herkömmliche Lüfter – und das einzige aktive Wärmemanagementgerät, das klein und dünn genug ist, um in Smartphones und AR-Brillen zu passen. Es hält die Oberflächen- und Komponententemperaturen um 15–30 % kühler und ermöglicht gleichzeitig, dass die Computer über längere Zeiträume mit Höchstleistung laufen.

PiezoMEMS-Lautsprecher als Konversations-KI-Schnittstelle

Größe und Gewicht: PiezoMEMS-Lautsprecher erzeugen eine gleichwertige oder bessere Lautstärke (Schalldruckpegel [SPL]) als herkömmliche Spulenlautsprecher, jedoch bei einem Bruchteil der Größe, Dicke und des Gewichts. Der Einsatz dieses neuen Lautsprechers in KI-fähigen Brillen kann Produktdesignern helfen, dem oben in diesem Artikel erwähnten Ideal näher zu kommen.

Hier sind zwei Beispiele: Erstens ist der PiezoMEMS-Lautsprecher mit einer Dicke von einem Millimeter etwa 1 % dünner als herkömmliche Spulenlautsprecher, wodurch die Bügel der Brille dünner und eleganter gestaltet werden können.

Zweitens wurde vorgeschlagen, dass das Idealgewicht einer Brille 30 Gramm für ganztägigen Tragekomfort. In KI-Brillen wiegen herkömmliche Spulenlautsprecher typischerweise jeweils ca. 2 Gramm. Mit einem Lautsprecher in jedem Brillenbügel (insgesamt 4 Gramm) tragen die Lautsprecher ca. 15 % zum Gesamtgewicht des Systems bei. PiezoMEMS-Lautsprecher mit je ca. 150 Milligramm können über 90 % des Lautsprechergewichts einsparen und AR-Brillen so dem 30-Gramm-Ziel näher bringen.

Klangklarheit. Neben ihrer geringen Größe und ihres geringen Gewichts verbessern PiezoMEMS-Lautsprecher das Klangerlebnis. Sie erzeugen nicht nur ausreichend Lautstärke im Freien, sondern reproduzieren auch hervorragend die hohen Frequenzen, die typischerweise mit verbesserter Sprachverständlichkeit und Klarheit verbunden sind. Dies liegt daran, dass PiezoMEMS eine schnellere mechanische Reaktion als herkömmliche Lautsprecherdesigns bieten und nahezu keine Phasenverschiebung aufweisen. Das sorgt für einen klaren, detaillierten und präzisen Klang.

Verbesserte DSP-Funktionen. DSP-intensive Funktionen wie Privacy Modes und Directed Sound werden mit PiezoMEMS-Lautsprechern deutlich besser funktionieren. Dank der Einheitlichkeit und Konsistenz des Halbleiterprozesses weisen diese Lautsprecher eine nahezu ideale Teil-zu-Teil-Lautstärke und Phasenanpassung auf, was ein besser vorhersehbares Zeitfenster für den DSP-Algorithmus bietet. Durch die geringere Variabilität des Lautsprechers können die DSP-Algorithmen die Leistung bei geringerem Verarbeitungsaufwand steigern.

Das Potenzial von Edge-KI-Geräten freisetzen

Letztendlich bedarf es erheblicher Innovationen, um die Leistungsfähigkeit generativer KI auf Edge-Geräte für Endverbraucher zu übertragen. Hersteller müssen nicht nur die physikalischen Grenzen überwinden, sondern auch das bestmögliche Benutzererlebnis gewährleisten – und das ohne Kompromisse beim Formfaktor.

Neue Innovationen in der PiezoMEMS-Technologie eröffnen Möglichkeiten, thermische Einschränkungen zu beseitigen, eine verbesserte Sprachverständlichkeit für Konversations-KI zu liefern und gleichzeitig Stil (dünn) und Komfort (Gewicht) von Edge-AI-Smartphones und AR-Brillen zu verbessern.

Das GenAI-Ökosystem ist riesig und vernetzt. PiezoMEMS kann dabei eine Schlüsselrolle spielen.