Den ukjente teknologien bak en ny generasjon av Edge AI-enheter

Du kanskje har ikke hørt om piezoMEMS — men nye anvendelser av denne lille, spillende teknologien er i ferd med å forme fremtiden for AI på kanten.

I 2023 estimerte forskere at bruk av generativ kunstig intelligens (genAI) for å lage et bilde brukte like mye energi som å lade en smartphone. Nå, tenk deg å generere AI-bilder med din smartphone.

Etterhvert som AI flytter til kantenheter som smartphones og AR-briller, vil de mest overbevisende og utbredte anvendelsene sannsynligvis dreie seg om sanntids-, personlige og kontekstbevisste opplevelser. Disse enhetene er alltid med oss, så AI kan utnytte deres sensorer – kameraer, mikrofoner, GPS, akselerometre – for å levere sammenhengende, lav-forsinkelsesløsninger og opplevelser.

Tenke på AI som en alltid tilstedeværende hjelper som gir sanntidskontekstuell assistanse. På smartphones kan dette bety umiddelbar språkoversettelse under samtaler eller reiser, som å peke kameraet på et skilt og få en overlagring på ditt morsmål. For AR-briller er det enda mer essensielt – tenk deg å gå gjennom en by og få historiske fakta, restaurantanmeldelser eller navigasjonskoder projisert inn i din visning, alt tilpasset dine interesser og uten å måtte trekke ut en enhet. Ettersom kant-AI prosesserer data lokalt, er det en seier for tillit og datavern.

Mens løftet for kant-AI er åpenbart og overbevisende, finnes det fortsatt hardvareutfordringer.

• Utfordring 1 – Termisk: Akkurat som AI-datacenter, er kant-AI-enheter termisk begrensede, ikke MIPS/beregning-begrensede. Smartphones er allerede på sine termiske grenser; kant-AI-funksjoner forverrer bare problemet. Samme sak for AR-briller, ettersom mer beregning, optikk og mikrodisplayer integreres.
• Utfordring 2 – Størrelse/Vekt/Formfaktor: Dette er en enorm utfordring for AR-briller ettersom produsentene søker den hellige gralen ved å balansere all-dags komfort (vekt) med nødvendige elektroniske komponenter og batterilevetid (ytelse) alt i en mote-først, stylish formfaktor.
• Utfordring 3 – Konversasjons-AI-lydkvalitet: Stemme vil være et dominant grensesnitt, spesielt med AR-briller, som tillater rask, håndfri drift. Imidlertid er konvensjonelle spolehøytalere tykke og bulke (se utfordring 2) og fungerer ikke til sitt maksimale potensiale i små, begrensede rom. Videre, deres relativt dårlige del-til-del-konsistens negativt påvirker verdi-tillegg DSP-funksjoner som privatlivs- og samtalefokusmoduser.

Likevel er det gale løp for å utføre genAI på kantenheter – smartphones, AR-briller og andre mobile enheter – i gang. Forskere ved Deloitte estimerer at andelen av genAI-aktiverede smartphones kan overstige 30 prosent av leveransene ved årets slutten. For å si ingenting om en ny kategori av genAI-drevne smartbriller.

I kantenheter kommer en del av løsningen fra å omdefinere elektronikkene som går inn i dem.

PiezoMEMS-komponenter muliggjør genAI på kanten

PiezoMEMS-teknologien løser utfordringene med genAI i kantenheter. Ikke bare på grunn av hva den gjør, men hvordan den er laget.

PiezoMEMS er en anvendelse av mikro-elektromekaniske systemteknologier som bruker piezoelektriske materialer til å konvertere elektrisk energi til bevegelse, essensielt en spenning-kontrollert luftstrøm. PiezoMEMS-komponenter produseres i en pålitelig, stabil og høyt uniform semikonditoreprosess, som tillater masseproduksjon av høyeffektive, kostnadseffektive mikroelektroniske komponenter i små, 1-millimeter tykke chip-pakninger.

Aktiv kjøling for kant-AI termisk styring

Ultrasoniske piezoMEMS-silikon-aktuatorer finnes nå for å pumpe helt stille, vibrasjonsfrie pulser av luft for å kjøle tynne, rom-begrensede elektroniske systemer – grundig en vifte på en chip.

Konsekvensene for kjøling av kant-AI-enheter er dyptgående. Den første piezoMEMS-mikro-kjøleviften er 96 prosent mindre og lettere enn tradisjonelle vifter – og er den eneste aktive termiske styringsenheten som er liten og tynn nok til å passe inn i smartphones og AR-briller, holder overflate- og komponenttemperaturer 15-30% kjøligere samtidig som beregning kan kjøre på topp ytelse i lengre perioder.

PiezoMEMS-høyttalere som konversasjons-AI-grensesnitt

Størrelse og vekt: piezoMEMS-høyttalere kan produsere ekvivalent eller bedre høyde (lydtrykksnivå [SPL]) som konvensjonelle spolehøyttalere, men til en brøkdel av størrelsen, tykkelsen og vekten. Å anvende denne nye høyttaleren til AI-aktiverede briller kan få produkt-designerne nærmere den hellige gralen-balansen nevnt tidligere i denne artikkelen.

Her er to eksempler. Først, på 1 millimeter tykk, er piezoMEMS-høyttaleren ~70% tynnere enn konvensjonelle spolehøyttalere, noe som tillater at armene på briller kan være tynnere og mer stilige.

For det andre har det blitt foreslått at den ideelle vekten av briller er 30 gram for å oppnå all-dags komfort. I AI-briller veier konvensjonelle spolehøyttalere vanligvis ~2 gram hver. Med en i hver arm (4 gram totalt) bidrar høyttalerne ~15% av den totale vekten av systemet. PiezoMEMS-høyttalere, på ~150 milligram hver, kan fjerne >90% av vekten bidratt av høyttalerne, og bringe AR-briller nærmere 30-grams-målet.

Lydklarhet. Bortsett fra sin lille størrelse og vekt, forbedrer piezoMEMS-høyttalere lydopplevelsen. De genererer ikke bare tilstrekkelig volum i åpen luft, men de utmerker seg også i å gjengi de høye frekvensene som vanligvis er forbundet med forbedret taleforståelse og klarhet. Dette skyldes at piezoMEMS leverer en raskere mekanisk respons enn tradisjonelle høyttalerdesign, med nesten ingen faseforskyvning, noe som betyr at lyden er klar, detaljert og nøyaktig.

Forbedrede DSP-funksjoner. Til slutt vil DSP-intensiva funksjoner som privatlivsmoduser og rettet lyd fungere bedre med piezoMEMS-høyttalere. Takket være enhetligheten og konsistensen av halvlederprosessen, har disse høyttalerne nære-ideelle del-til-del-høyde og fase-matching, og leverer et mer forutsigbart vindu for DSP-algoritmen å fungere. Med mindre variasjon fra høyttaleren, kan DSP-algoritmene forbedre ytelsen med mindre prosessor-overhead.

Å låse opp potensialet for kant-AI-enheter

Til slutt kommer det til å kreve betydelig innovasjon for å bringe kraften av generativ AI til forbruker-kantenheter. Ikke bare må produsentene overvinne fysikk, men de må også sikre den beste mulige brukeropplevelsen – uten å kompromittere med formfaktor.

Nye innovasjoner i piezoMEMS-teknologien åpner muligheter for å fjerne termiske begrensninger, levere forbedret taleforståelse for konversasjons-AI samtidig som de forbedrer stil (tynn) og komfort (vekt) i kant-AI-smartphones og AR-briller.

GenAI-økosystemet er stort og sammenkoblet. PiezoMEMS kan være en nøkkelaktiver.