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

Sie haben vielleicht noch nichts von piezoMEMS gehört — aber neuartige Anwendungen dieser winzigen, spielverändernden Technologie sind bereit, die Zukunft von KI am Rand neu zu gestalten.

Im Jahr 2023 schätzten Forscher, dass die Verwendung von generativer künstlicher Intelligenz (genAI) zur Erstellung eines Bildes so viel Energie verbrauchte wie das Aufladen eines Smartphones. Stellen Sie sich nun vor, AI-Bilder mit Ihrem Smartphone zu generieren.

Wenn sich die KI auf Randgeräte wie Smartphones und AR-Brillen verlagert, werden die überzeugendsten und weitverbreitetsten Anwendungen wahrscheinlich um Echtzeit-, personalisierte und kontextbezogene Erfahrungen kreisen. Diese Geräte sind immer bei uns, sodass die KI ihre Sensoren — Kameras, Mikrofone, GPS, Beschleunigungsmesser — nutzen kann, um nahtlose, latenzarme Lösungen und Erfahrungen zu liefern.

Denken Sie an die KI als einen allgegenwärtigen Helfer, der Echtzeit-Kontexthilfe bietet. Auf Smartphones könnte dies bedeuten, dass Sie während Gesprächen oder Reisen sofortige Sprachübersetzungen erhalten, wie z. B. wenn Sie mit Ihrer Kamera auf ein Schild zeigen und eine Überlagerung in Ihrer Muttersprache erhalten. Für AR-Brillen ist es noch faszinierender — stellen Sie sich vor, durch eine Stadt zu gehen und historische Fakten, Restaurantbewertungen oder Navigationshinweise in Ihrem Blickfeld zu haben, alles auf Ihre Interessen zugeschnitten und ohne dass Sie ein Gerät aus der Tasche nehmen müssen. Da die KI am Rand die Daten lokal verarbeitet, ist dies ein Gewinn für Vertrauen und Datenschutz.

Während das Versprechen für KI am Rand offensichtlich und überzeugend ist, bleiben Hardwareherausforderungen bestehen.

• Herausforderung 1 – Thermisch: Genau wie KI-Rechenzentren sind KI-Geräte am Rand thermisch begrenzt, nicht rechenleistungsbegrenzt. Smartphones sind bereits an ihren thermischen Grenzen; KI-Funktionen am Rand verschärfen das Problem einfach. Gleiches gilt für AR-Brillen, da mehr Rechenleistung, Optik und Mikrodisplays integriert werden.
• Herausforderung 2 – Größe/Gewicht/Formfaktor: Dies ist eine enorme Herausforderung für AR-Brillen, da Hersteller das Heilige der Balance zwischen Tragekomfort (Gewicht) und notwendiger Elektronik und Batterielebensdauer (Leistung) in einem modischen, stylischen Formfaktor suchen.
• Herausforderung 3 – Konversations-KI-Audioqualität: Die Stimme wird eine dominierende Schnittstelle sein, insbesondere bei AR-Brillen, die eine schnelle, hands-free-Bedienung ermöglichen. Allerdings sind herkömmliche Spulensprecher dick und sperrig (siehe Herausforderung 2) und funktionieren nicht mit voller Leistung in engen, begrenzten Räumen. Darüber hinaus hat ihre relativ schlechte Teil-zu-Teil-Konsistenz negative Auswirkungen auf wertvolle DSP-Funktionen wie Privatsphäre- und Konversationsfokussierungsmodi.

Trotzdem ist der Wettlauf, genAI auf Randgeräten wie Smartphones, AR-Brillen und anderen mobilen Geräten durchzuführen, im Gange. Forscher bei Deloitte schätzen, dass der Anteil genAI-aktiver Smartphones bis zum Ende dieses Jahres über 30 Prozent der Auslieferungen betragen könnte. Um nichts von einer neuen Kategorie genAI-aktiver Smartbrillen zu sagen.

Bei Randgeräten kommt Teil der Lösung aus der Neukonzeption der Elektronik, die in sie eingebaut wird.

PiezoMEMS-Komponenten ermöglichen genAI am Rand

PiezoMEMS-Technologie begegnet den Herausforderungen von genAI in Randgeräten. Nicht nur wegen dessen, was sie tut, sondern auch, wie sie hergestellt wird.

PiezoMEMS ist eine Anwendung von Mikro-Elektro-Mechanik-System-Technologie, die piezoelektrische Materialien verwendet, um elektrische Energie in Bewegung umzuwandeln, im Wesentlichen eine spannungsgesteuerte Luftquelle. PiezoMEMS-Komponenten werden in einem zuverlässigen, stabilen und hoch einheitlichen Halbleiterprozess hergestellt, der die Massenproduktion von hocheffizienten, kostengünstigen Mikroelektronik-Bauelementen in kleinen, 1-Millimeter-dünnen Chip-Packages ermöglicht.

Aktive Kühlung für thermisches Management von KI am Rand

Ultraschall-PiezoMEMS-Silikon-Aktoren existieren jetzt, um völlig stille, vibrationsfreie Luftimpulse zur Kühlung dünner, raumbeanspruchter Elektroniksysteme zu pumpen — im Wesentlichen ein Lüfter auf einem Chip.

Die Auswirkungen auf die Kühlung von KI-Geräten am Rand sind tiefgreifend. Der erste piezoMEMS-Mikro-Kühler ist 96 Prozent kleiner und leichter als herkömmliche Lüfter — und das einzige aktive thermische Management-Gerät, das klein und dünn genug ist, um in Smartphones und AR-Brillen zu passen, wodurch die Oberflächen- und Bauteiltemperaturen um 15-30 % abgekühlt werden und die Rechenleistung für längere Zeiträume auf Höchstleistung gehalten werden kann.

PiezoMEMS-Lautsprecher als Konversations-KI-Schnittstelle

Größe und Gewicht: PiezoMEMS-Lautsprecher können eine äquivalente oder bessere Lautstärke (Schalldruckpegel [SPL]) wie herkömmliche Spulensprecher erzeugen, aber bei einem Bruchteil der Größe, Dicke und des Gewichts. Die Anwendung dieses neuen Lautsprechers auf AI-aktivierte Brillen kann Produktentwickler dem Heiligen der Balance näherbringen, das zuvor in diesem Artikel erwähnt wurde.

Hier sind zwei Beispiele. Erstens ist der piezoMEMS-Lautsprecher bei 1 Millimeter Dicke etwa 70 % dünner als herkömmliche Spulensprecher, was es ermöglicht, die Arme der Brillen dünner und modischer zu gestalten.

Zweitens wurde vorgeschlagen, dass das ideale Gewicht von Brillen 30 Gramm beträgt, um einen ganztägigen Tragekomfort zu erreichen. Bei AI-Brillen wiegen herkömmliche Spulensprecher typischerweise etwa 2 Gramm pro Stück. Mit einem in jedem Brillenarm (4 Gramm insgesamt) tragen die Lautsprecher etwa 15 % des Gesamtgewichts des Systems bei. PiezoMEMS-Lautsprecher, die etwa 150 Milligramm pro Stück wiegen, können mehr als 90 % des Gewichts, das durch die Lautsprecher beigetragen wird, entfernen und AR-Brillen damit dem 30-Gramm-Ziel näherbringen.

Audio-Klarheit. Abgesehen von ihrer kleinen Größe und ihrem geringen Gewicht verbessern piezoMEMS-Lautsprecher das Audio-Erlebnis. Sie erzeugen nicht nur ausreichend Lautstärke in der offenen Luft, sondern sie sind auch hervorragend darin, die hohen Frequenzen wiederzugeben, die typischerweise mit verbesserter Sprachverständlichkeit und Klarheit verbunden sind. Dies liegt daran, dass piezoMEMS eine schnellere mechanische Reaktion als herkömmliche Lautsprecherdesigns mit fast keiner Phasenverschiebung liefert, was bedeutet, dass das Audio klar, detailliert und genau ist.

Verbesserte DSP-Funktionen. Schließlich werden DSP-intensivere Funktionen wie Privatsphären-Modi und gerichtete Töne mit piezoMEMS-Lautsprechern besser funktionieren. Dank der Einheitlichkeit und Konsistenz des Halbleiterprozesses haben diese Lautsprecher eine nahezu ideale Teil-zu-Teil-Lautstärke und Phasenübereinstimmung, was einen vorhersehbaren Fenster für den DSP-Algorithmus bietet. Mit weniger Variabilität vom Lautsprecher können die DSP-Algorithmen die Leistung mit weniger Verarbeitungsüberhead verbessern.

Das Potenzial von KI-Geräten am Rand freischalten

Letztendlich wird es erhebliche Innovationen brauchen, um die Macht der generativen KI auf Consumer-Randgeräte zu bringen. Hersteller müssen nicht nur die Physik überwinden, sondern auch sicherstellen, dass die beste mögliche Benutzererfahrung geboten wird — all dies ohne Kompromisse bei der Form.

Neue Innovationen in der piezoMEMS-Technologie eröffnen Möglichkeiten, thermische Einschränkungen zu beseitigen, die Sprachverständlichkeit für Konversations-KI zu verbessern und gleichzeitig die Form (Dünne) und den Komfort (Gewicht) in KI-Smartphones und AR-Brillen am Rand zu verbessern.

Das genAI-Ökosystem ist umfassend und vernetzt. PiezoMEMS kann ein wichtiger Enabler sein.