La tecnología desconocida detrás de una nueva generación de dispositivos de inteligencia artificial de borde

Puede que no haya oído hablar de piezoMEMS, pero las aplicaciones novedosas de esta tecnología pequeña y revolucionaria están a punto de cambiar el futuro de la inteligencia artificial en el borde.

En 2023, investigadores estimaron que utilizar inteligencia artificial generativa (genAI) para crear una imagen utilizaba tanta energía como cargar un teléfono inteligente. Ahora, imagine generar imágenes de IA con su teléfono inteligente.

A medida que la IA se desplaza a dispositivos de borde como teléfonos inteligentes y gafas de realidad aumentada, las aplicaciones más atractivas y generalizadas probablemente girarán en torno a experiencias personalizadas, contextuales y en tiempo real. Estos dispositivos siempre están con nosotros, por lo que la IA puede aprovechar sus sensores – cámaras, micrófonos, GPS, acelerómetros – para ofrecer soluciones y experiencias sin interrupciones y con baja latencia.

Piense en la IA como un compañero omnipresente que ofrece asistencia contextual en tiempo real. En teléfonos inteligentes, esto podría significar traducción instantánea de idiomas durante conversaciones o viajes, como apuntar su cámara a un letrero y obtener una superposición en su lengua materna. Para gafas de realidad aumentada, es aún más atractivo – imagine caminar por una ciudad y tener hechos históricos, reseñas de restaurantes o instrucciones de navegación proyectados en su vista, todo adaptado a sus intereses y sin necesidad de sacar un dispositivo. Dado que la IA de borde procesa los datos localmente, es una victoria para la confianza y la privacidad de los datos.

Mientras que la promesa de la IA de borde es obvia y atractiva, siguen existiendo desafíos de hardware.

• Desafío 1 – Térmico: Al igual que los centros de datos de IA, los dispositivos de IA de borde están limitados térmicamente, no limitados por MIPS/cálculo. Los teléfonos inteligentes ya están en sus límites térmicos; las características de IA de borde simplemente agravan el problema. Lo mismo ocurre con las gafas de realidad aumentada, ya que se integran más cálculo, óptica y pantallas micro.
• Desafío 2 – Tamaño/Peso/Forma: Este es un desafío enorme para las gafas de realidad aumentada, ya que los fabricantes buscan el Santo Grial del equilibrio entre la comodidad de llevarlas puestas todo el día (peso) con los componentes electrónicos y la vida útil de la batería (rendimiento) en un factor de forma a la moda y elegante.
• Desafío 3 – Calidad de audio de IA conversacional: La voz será una interfaz dominante, particularmente con gafas de realidad aumentada, lo que permite una operación rápida y sin manos. Sin embargo, los altavoces de bobina convencionales son gruesos y voluminosos (ver Desafío 2) y no funcionan al máximo en espacios ajustados y limitados. Además, su consistencia relativa de parte a parte es pobre y afecta negativamente las características de valor agregado de DSP, como los modos de privacidad y enfoque de conversación.

Aún así, la carrera loca para realizar genAI en dispositivos de borde – teléfonos inteligentes, gafas de realidad aumentada y otros dispositivos móviles – está en marcha. Investigadores de Deloitte estiman que la participación de teléfonos inteligentes con genAI podría superar el 30 por ciento de los envíos para finales de este año. Por no hablar de una nueva categoría de gafas inteligentes con genAI.

En los dispositivos de borde, parte de la solución proviene de replantear la electrónica que se incorpora en ellos.

Componentes piezoMEMS permiten genAI en el borde

La tecnología piezoMEMS aborda los desafíos de genAI en dispositivos de borde. No solo por lo que hace, sino por cómo se fabrica.

PiezoMEMS es una aplicación de la tecnología de sistemas microelectromecánicos que utiliza materiales piezoeléctricos para convertir la energía eléctrica en movimiento, esencialmente una fuente de aire controlada por voltaje. Los componentes piezoMEMS se fabrican en un proceso de semiconductores confiable, estable y altamente uniforme, lo que permite la producción en masa de microelectrónica eficiente y rentable en paquetes de chips delgados de 1 milímetro.

Enfriamiento activo para la gestión térmica de IA de borde

Ahora existen actuadores de silicio piezoMEMS ultrasónicos para bombear pulsos de aire completamente silenciosos y sin vibraciones con el fin de enfriar sistemas electrónicos delgados y limitados en espacio – básicamente un ventilador en un chip.

Las implicaciones para el enfriamiento de los dispositivos de IA de borde son profundas. El primer ventilador de enfriamiento micro piezoMEMS es un 96 por ciento más pequeño y ligero que los ventiladores tradicionales – y es el único dispositivo de gestión térmica activa lo suficientemente pequeño y delgado como para caber dentro de teléfonos inteligentes y gafas de realidad aumentada, manteniendo las temperaturas de la superficie y los componentes un 15-30 por ciento más frías mientras permite que el cálculo se ejecute al rendimiento máximo durante períodos prolongados.

Altavoces piezoMEMS como la interfaz de IA conversacional

Tamaño y peso: los altavoces piezoMEMS pueden producir una sonoridad equivalente o mejor (nivel de presión de sonido [SPL]) que los altavoces de bobina convencionales, pero a una fracción del tamaño, grosor y peso. Aplicar este nuevo altavoz a gafas con IA puede acercar a los diseñadores de productos al equilibrio del Santo Grial mencionado anteriormente en este artículo.

Aquí hay dos ejemplos. Primero, a 1 milímetro de grosor, el altavoz piezoMEMS es ~70 por ciento más delgado que los altavoces de bobina convencionales, lo que permite que los brazos de las gafas sean más delgados y elegantes.

Segundo, se ha sugerido que el peso ideal de las gafas es 30 gramos para lograr la comodidad de llevarlas puestas todo el día. En gafas de IA, los altavoces de bobina convencionales suelen pesar ~2 gramos cada uno. Con uno en cada brazo de las gafas (4 gramos en total), los altavoces contribuyen ~15 por ciento del peso total del sistema. Los altavoces piezoMEMS, a ~150 miligramos cada uno, pueden eliminar >90 por ciento del peso contribuido por los altavoces, acercando las gafas de realidad aumentada al objetivo de 30 gramos.

Claridad de audio. Aparte de su pequeño tamaño y peso, los altavoces piezoMEMS mejoran la experiencia de audio. No solo generan un volumen suficiente en el aire libre, sino que también destacan en la reproducción de las frecuencias altas asociadas con una mejor inteligibilidad y claridad del habla. Esto se debe a que piezoMEMS ofrece una respuesta mecánica más rápida que los diseños de altavoces tradicionales con casi ningún desplazamiento de fase, lo que significa que el audio es claro, detallado y preciso.

Características de DSP mejoradas. Finalmente, las características de DSP intensivas, como los modos de privacidad y sonido dirigido, funcionarán mejor con los altavoces piezoMEMS. Gracias a la uniformidad y consistencia del proceso de semiconductores, estos altavoces tienen una sonoridad y coincidencia de fase casi ideales de parte a parte, lo que ofrece una ventana más predecible para que el algoritmo de DSP funcione. Con menos variabilidad en el altavoz, los algoritmos de DSP pueden mejorar el rendimiento con menos sobrecarga de procesamiento.

Desbloquear el potencial de los dispositivos de IA de borde

Al final, se necesitará una innovación significativa para llevar el poder de la inteligencia artificial generativa a los dispositivos de borde para consumidores. No solo los fabricantes deben superar la física, sino que también deben garantizar la mejor experiencia posible para el usuario – todo sin comprometer el factor de forma.

Nuevas innovaciones en la tecnología piezoMEMS abren posibilidades para eliminar las limitaciones térmicas, ofrecer una mejor inteligibilidad del habla para la IA conversacional mientras mejoran el estilo (delgado) y la comodidad (peso) en teléfonos inteligentes y gafas de realidad aumentada con IA.

El ecosistema de genAI es vasto y entreconectado. PiezoMEMS puede ser un habilitador clave.