A Tecnologia Desconhecida por trás de uma Nova Geração de Dispositivos de Edge AI

Você pode não ter ouvido falar de piezoMEMS — mas aplicações novas e inovadoras dessa tecnologia em miniatura e que muda o jogo estão prestes a redesenhar o futuro da IA na borda.

Em 2023, pesquisadores estimaram que usar inteligência artificial generativa (genAI) para criar uma imagem usava tanta energia quanto carregar um smartphone. Agora, imagine gerar imagens de IA com seu smartphone.

À medida que a IA se desloca para dispositivos de borda, como smartphones e óculos de realidade aumentada, as aplicações mais atraentes e amplamente disseminadas provavelmente girarão em torno de experiências personalizadas, contextuais e em tempo real. Esses dispositivos estão sempre conosco, então a IA pode aproveitar seus sensores — câmeras, microfones, GPS, acelerômetros — para fornecer soluções e experiências sem interrupções e de baixa latência.

Pense na IA como um companheiro onipresente que fornece assistência contextual em tempo real. Em smartphones, isso pode significar tradução instantânea de idiomas durante conversas ou viagens, como apontar a câmera para um sinal e obter uma sobreposição na sua língua nativa. Para óculos de realidade aumentada, é ainda mais atraente — imagine caminhar por uma cidade e ter fatos históricos, avaliações de restaurantes ou dicas de navegação projetados na sua visão, todos personalizados para os seus interesses e sem a necessidade de tirar um dispositivo. Como a IA de borda processa dados localmente, é uma vitória para a confiança e a privacidade de dados.

Embora a promessa da IA de borda seja óbvia e atraente, desafios de hardware permanecem.

• Desafio 1 – Térmico: Assim como os centros de dados de IA, os dispositivos de IA de borda são limitados termicamente, e não limitados por MIPS/cálculo. Os smartphones já estão em seus limites térmicos; os recursos de IA de borda simplesmente exacerbam o problema. O mesmo se aplica a óculos de realidade aumentada, à medida que mais computação, óptica e displays micro são integrados.
• Desafio 2 – Tamanho/Peso/Fator de Forma: Este é um desafio enorme para óculos de realidade aumentada, pois os fabricantes buscam o Santo Graal do equilíbrio entre o conforto de uso diário (peso) com os necessários eletrônicos e vida útil da bateria (desempenho), tudo em um fator de forma fashion-first e estiloso.
• Desafio 3 – Qualidade de Áudio da IA Conversacional: A voz será uma interface dominante, particularmente com óculos de realidade aumentada, permitindo operação rápida e sem mãos. No entanto, os alto-falantes de bobina convencionais são grossos e volumosos (veja Desafio 2) e não atuam em seu potencial máximo em espaços apertados e restritos. Além disso, sua consistência de parte a parte relativamente pobre impacta negativamente os recursos de valor agregado de processamento de sinal digital (DSP), como modos de privacidade e foco de conversa.

Ainda assim, a corrida louca para realizar genAI em dispositivos de borda — smartphones, óculos de realidade aumentada e outros dispositivos móveis — está em andamento. Pesquisadores da Deloitte estimam que a participação de smartphones habilitados para genAI pode exceder 30 por cento das remessas até o final deste ano. Para não mencionar uma nova categoria de óculos de realidade aumentada habilitados para genAI.

Em dispositivos de borda, parte da solução vem de reimaginar a eletrônica que entra neles.

Componentes PiezoMEMS Habilitam GenAI na Borda

A tecnologia piezoMEMS aborda os desafios da genAI em dispositivos de borda. Não apenas pelo que faz, mas como é feita.

PiezoMEMS é uma aplicação da tecnologia de sistemas micro-eletromecânicos que usa materiais piezelétricos para converter energia elétrica em movimento, essencialmente uma fonte de ar controlada por voltagem. Os componentes piezoMEMS são fabricados em um processo de semicondutor confiável, estável e altamente uniforme, permitindo a produção em massa de microeletrônicos altamente eficientes e econômicos em pacotes de chip finos de 1 milímetro.

Resfriamento Ativo para Gerenciamento Térmico de IA de Borda

Atuadores piezoMEMS de silício ultrassônicos agora existem para bombear pulsos de ar completamente silenciosos e sem vibração para o propósito de resfriar sistemas eletrônicos finos e com restrições de espaço — basicamente um ventilador em um chip.

As implicações para o resfriamento de dispositivos de IA de borda são profundas. O primeiro ventilador de resfriamento micro piezoMEMS é 96 por cento menor e mais leve do que os ventiladores tradicionais — e é o único dispositivo de gerenciamento térmico ativo pequeno e fino o suficiente para caber dentro de smartphones e óculos de realidade aumentada, mantendo as temperaturas de superfície e de componentes 15-30% mais frias, enquanto permite que o cálculo funcione em seu desempenho máximo por períodos prolongados.

Alto-falantes PiezoMEMS como a Interface de IA Conversacional

Tamanho e Peso: os alto-falantes piezoMEMS podem produzir equivalente ou melhor nível de som (nível de pressão sonora [SPL]) como os alto-falantes de bobina convencionais, mas em uma fração do tamanho, espessura e peso. Aplicar esse novo alto-falante a óculos de realidade aumentada habilitados para IA pode ajudar os designers de produtos a alcançar o equilíbrio sagrado mencionado anteriormente neste artigo.

Aqui estão dois exemplos. Primeiro, com 1 milímetro de espessura, o alto-falante piezoMEMS é ~70% mais fino do que os alto-falantes de bobina convencionais, o que permite que os braços dos óculos sejam mais finos e estilosos.

Segundo, foi sugerido que o peso ideal para óculos é 30 gramas para alcançar o conforto de uso diário. Em óculos de realidade aumentada, os alto-falantes de bobina convencionais geralmente pesam ~2 gramas cada. Com um em cada braço dos óculos (4 gramas no total), os alto-falantes contribuem ~15% do peso total do sistema. Os alto-falantes piezoMEMS, com ~150 miligramas cada, podem remover >90% do peso contribuído pelos alto-falantes, aproximando os óculos de realidade aumentada do alvo de 30 gramas.

Clareza de Áudio. Além de seu pequeno tamanho e peso, os alto-falantes piezoMEMS aprimoram a experiência de áudio. Eles não apenas geram volume suficiente no ar aberto, mas também se destacam na reprodução das frequências altas normalmente associadas à melhoria da inteligibilidade e clareza da fala. Isso ocorre porque os piezoMEMS entregam uma resposta mecânica mais rápida do que os designs de alto-falantes tradicionais com quase nenhum deslocamento de fase, o que significa que o áudio é claro, detalhado e preciso.

Recursos de DSP aprimorados. Finalmente, recursos de processamento de sinal digital intensivo, como modos de privacidade e som direcionado, funcionarão melhor com os alto-falantes piezoMEMS. Graças à uniformidade e consistência do processo de semicondutor, esses alto-falantes têm quase perfeita correspondência de volume e fase de parte a parte, fornecendo uma janela mais previsível para o algoritmo de DSP operar. Com menos variabilidade do alto-falante, os algoritmos de DSP podem aprimorar o desempenho com menos sobrecarga de processamento.

Desbloqueando o Potencial dos Dispositivos de IA de Borda

No final, vai levar inovação significativa para trazer o poder da inteligência artificial generativa para dispositivos de borda do consumidor. Não apenas os fabricantes devem superar a física, mas também garantir a melhor experiência possível para o usuário — tudo sem comprometer o fator de forma.

Novas inovações na tecnologia piezoMEMS abrem possibilidades para remover restrições térmicas, entregar melhor inteligibilidade de fala para IA conversacional, melhorando o estilo (fino) e o conforto (peso) em smartphones e óculos de realidade aumentada de IA de borda.

O ecossistema genAI é vasto e interligado. Os piezoMEMS podem ser um habilitador-chave.