De onbekende technologie achter een nieuwe generatie Edge AI-apparaten

U hebt misschien nog nooit van piezoMEMS gehoord – maar nieuwe toepassingen van deze kleine, game-veranderende technologie zijn klaar om de toekomst van AI op de rand te herschikken.

In 2023 schatten onderzoekers dat het gebruik van generatieve kunstmatige intelligentie (genAI) om een afbeelding te maken evenveel energie verbruikte als het opladen van een smartphone. Stel je nu voor dat je AI-afbeeldingen met je smartphone genereert.

Terwijl AI zich verplaatst naar randapparaten zoals smartphones en AR-brillen, zullen de meest overtuigende en wijdverspreide toepassingen waarschijnlijk draaien om real-time, gepersonaliseerde en contextuele ervaringen. Deze apparaten zijn altijd bij ons, dus de AI kan hun sensoren – camera’s, microfoons, GPS, versnellingmeters – gebruiken om naadloze, lage-latentieoplossingen en ervaringen te bieden.

Denk aan AI als een alomtegenwoordige sidekick die real-time contextuele ondersteuning biedt. Op smartphones kan dit betekenen dat je instantane vertalingen krijgt tijdens gesprekken of reizen, zoals het richten van je camera op een bord en een overlay in je moedertaal krijgen. Voor AR-brillen is het nog belangrijker – stel je voor dat je door een stad loopt en historische feiten, restaurantbeoordelingen of navigatie-aanwijzingen in je zicht hebt, allemaal aangepast aan je interesses en zonder dat je een apparaat hoeft te gebruiken. Aangezien rand-AI gegevens lokaal verwerkt, is het een overwinning voor vertrouwen en gegevensbescherming.

Hoewel de belofte van rand-AI overduidelijk en overtuigend is, blijven er hardware-uitdagingen bestaan.

• Uitdaging 1 – Thermisch: Net als AI-rekencentra zijn rand-AI-apparaten thermisch beperkt, niet MIPS/rekenkrachtbeperkt. Smartphones zitten al aan hun thermische limiet; rand-AI-functies verergeren het probleem alleen maar. Hetzelfde geldt voor AR-brillen, omdat er meer rekenkracht, optica en microdisplays worden geïntegreerd.
• Uitdaging 2 – Grootte/Gewicht/Vormfactor: Dit is een enorme uitdaging voor AR-brillen, omdat fabrikanten de heilige graal van het balanceren van de hele dag draagcomfort (gewicht) met de nodige elektronica en batterijleven (prestaties) in een mode-eerste, stijlvolle vormfactor zoeken.
• Uitdaging 3 – Conversational AI-audiokwaliteit: Stem zal een dominante interface zijn, vooral met AR-brillen, waardoor snelle, handsfree bediening mogelijk is. Conventionele spoel-speakers zijn echter dik en omvangrijk (zie Uitdaging 2) en presteren niet optimaal in kleine, beperkte ruimtes. Bovendien heeft hun relatief slechte onderdeel-tot-onderdeelconsistentie een negatieve invloed op waarde-toevoegende DSP-functies zoals privacymodes en conversatiefocusmodi.

Toch is de wilde race om genAI op randapparaten uit te voeren – smartphones, AR-brillen en andere mobiele apparaten – in volle gang. Onderzoekers van Deloitte schatten dat het aandeel van genAI-geactiveerde smartphones tegen het einde van dit jaar meer dan 30 procent van de verzendingen kan overschrijden. Om nog maar te zwijgen over een nieuwe categorie van genAI-geactiveerde slimme brillen.

In randapparaten komt een deel van de oplossing voort uit het herscheppen van de elektronica die erin gaan.

PiezoMEMS-componenten maken genAI op de rand mogelijk

PiezoMEMS-technologie lost de uitdagingen van genAI in randapparaten op. Niet alleen vanwege wat het doet, maar ook vanwege hoe het gemaakt wordt.

PiezoMEMS is een toepassing van micro-elektromechanische systeemtechnologie die piezo-elektrische materialen gebruikt om elektrische energie om te zetten in beweging, essentieel een voltage-gestuurde luchtstroombron. PiezoMEMS-componenten worden vervaardigd in een betrouwbaar, stabiel en zeer uniform semiconductorproces, waardoor de massaproductie van zeer efficiënte, kosteneffectieve micro-elektronica in kleine, 1 millimeter dunne chipverpakkingen mogelijk is.

Actieve koeling voor thermisch beheer van rand-AI

Ultrasonische piezoMEMS-siliciumactuatoren bestaan nu om volledig stille, trillingsvrije pulsen van lucht te pompen voor het doel van koeling van dunne, ruimtebeperkte elektronische systemen – eigenlijk een ventilator op een chip.

De implicaties voor het koelen van rand-AI-apparaten zijn diepgaand. De eerste piezoMEMS-micro-koelventilator is 96 procent kleiner en lichter dan traditionele ventilatoren – en is het enige actieve thermische beheersapparaat dat klein en dun genoeg is om in smartphones en AR-brillen te passen, waardoor oppervlaktetemperatuur en componenttemperatuur 15-30% koeler worden en rekenkracht voor langere perioden op topniveau kan draaien.

PiezoMEMS-luidsprekers als conversational AI-interface

Grootte en Gewicht: piezoMEMS-luidsprekers kunnen equivalente of betere luidheid (geluidsdrukniveau [SPL]) produceren als conventionele spoelspeakers, maar met een fractie van de grootte, dikte en gewicht. Het toepassen van deze nieuwe luidspreker op AI-geactiveerde brillen kan productontwerpers dichter bij de heilige graal van balans brengen die eerder in dit artikel is genoemd.

Er zijn twee voorbeelden. Ten eerste is de piezoMEMS-luidspreker op 1 millimeter dik ~70% dunner dan conventionele spoelspeakers, waardoor de armen van de bril dunner en stijlvoller kunnen zijn.

Ten tweede is het gesuggereerd dat het ideale gewicht van brillen 30 gram is om een hele dag draagcomfort te bereiken. In AI-brillen wegen conventionele spoelspeakers typisch ~2 gram per stuk. Met één in elke arm (4 gram in totaal) dragen de luidsprekers ~15% van het totale gewicht van het systeem bij. PiezoMEMS-luidsprekers, met ~150 milligram per stuk, kunnen meer dan 90% van het gewicht dat door de luidsprekers wordt bijgedragen, verwijderen en AR-brillen dichter bij het doel van 30 gram brengen.

Geluidskwaliteit. Los van de kleine grootte en het gewicht, verbeteren piezoMEMS-luidsprekers de audio-ervaring. Ze genereren niet alleen voldoende volume in de open lucht, maar ze zijn ook goed in het reproduceren van de hoge frequenties die typisch geassocieerd worden met verbeterde spraakverstaanbaarheid en duidelijkheid. Dit komt doordat piezoMEMS een snellere mechanische reactie heeft dan traditionele luidsprekertypes met bijna geen faseverschuiving, wat betekent dat de audio helder, gedetailleerd en nauwkeurig is.

Verbeterde DSP-functies. Ten slotte zullen DSP-intensieve functies zoals privacymodes en gerichte geluiden beter presteren met piezoMEMS-luidsprekers. Dankzij de uniformiteit en consistentie van het semiconductorproces hebben deze luidsprekers een bijna-ideale onderdeel-tot-onderdeel-luidheid en fase-aanpassing, waardoor een meer voorspelbaar venster voor de DSP-algoritme ontstaat. Met minder variatie van de luidspreker kunnen de DSP-algoritmen de prestaties verbeteren met minder verwerkingsoverhead.

Het potentieel van rand-AI-apparaten ontgrendelen

Uiteindelijk zal het significant innovatie vergen om de kracht van generatieve AI naar consumentenrandapparaten te brengen. Fabrikanten moeten niet alleen de fysica overwinnen, maar ook ervoor zorgen dat de gebruikerservaring zo goed mogelijk is – zonder compromissen over de vormfactor.

Nieuwe innovaties in piezoMEMS-technologie openen mogelijkheden om thermische beperkingen te verwijderen, de spraakverstaanbaarheid van conversational AI te verbeteren en de stijl (dun) en het comfort (gewicht) van rand-AI-smartphones en AR-brillen te verbeteren.

Het genAI-ecosysteem is uitgebreid en onderling verbonden. PiezoMEMS kan een sleutelactivator zijn.