Den okända tekniken bakom en ny generation av Edge AI-enheter

Du har kanske inte hört talas om piezoMEMS — men nya tillämpningar av denna lilla, speländrande tekniken är redo att forma framtiden för AI på gränsen.

År 2023 beräknade forskare att användningen av generativ artificiell intelligens (genAI) för att skapa en bild använde lika mycket energi som att ladda en smartphone. Tänk nu på att generera AI-bilder med din smartphone.

Såsom AI flyttar till gränsenheter som smartphones och AR-glasögon, kommer de mest övertygande och omfattande tillämpningarna sannolikt att kretsa kring realtids-, personliga och kontextmedvetna upplevelser. Dessa enheter är alltid med oss, så AI kan utnyttja deras sensorer – kameror, mikrofoner, GPS, accelerometer – för att leverera sömlösa, låglatenslösningar och upplevelser.

Tänk på AI som en alltomfattande medhjälpare som tillhandahåller realtidskontextuell assistans. På smartphones kan detta innebära omedelbar språköversättning under samtal eller resor, som att peka på en skylt och få en översättning på ditt modersmål. För AR-glasögon är det ännu mer naturligt – föreställ dig att du går genom en stad och har historiska fakta, restaurangrecensioner eller navigeringshjälpmedel projicerade i din syn, allt anpassat till dina intressen och utan att behöva ta fram en enhet. Eftersom gräns-AI bearbetar data lokalt är det en vinst för förtroende och dataskydd.

Medan löftet för gräns-AI är uppenbart och övertygande, kvarstår hårdvaruchallenger.

• Utgift 1 – Termisk: Precis som AI-datacenter är gräns-AI-enheter termiskt begränsade, inte MIPS/bearbetningsbegränsade. Smartphones ligger redan på sina termiska gränser; gräns-AI-funktioner förvärrar bara problemet. Samma sak gäller för AR-glasögon, eftersom mer beräkning, optik och mikrodisplay integreras.
• Utgift 2 – Storlek/Vikt/Formfaktor: Detta är en enorm utmaning för AR-glasögon, eftersom tillverkare söker den heliga graalen att balansera all-dag-bär-komfort (vikt) med nödvändig elektronik och batterilivslängd (prestanda) allt i en modemedveten, stilren formfaktor.
• Utgift 3 – Konversations-AI-ljudkvalitet: Röst kommer att vara ett dominerande gränssnitt, särskilt med AR-glasögon, som tillåter snabb, handsfree drift. Men konventionella spolehögtalare är tjocka och klumpiga (se Utgift 2) och fungerar inte till sin fulla potential i tighta, begränsade utrymmen. Dessutom påverkar deras relativt dåliga del-till-del-konsekvens negativt värde-tilläggs-DSP-funktioner som t.ex. sekretess- och samtal sfokuslägen.

Ändå pågår jakten på att utföra genAI på gränsenheter – smartphones, AR-glasögon och andra mobila enheter. Forskare på Deloitte beräknar att andelen genAI-aktiverade smartphones kan överstiga 30 procent av leveranserna i slutet av detta år. För att inte tala om en ny kategori av genAI-aktiverade smarta glasögon.

I gränsenheter kommer en del av lösningen från att omdefiniera elektronik som går in i dem.

PiezoMEMS-komponenter möjliggör genAI på gränsen

PiezoMEMS-teknik möjliggör lösningar på utmaningarna med genAI i gränsenheter. Inte bara på grund av vad den gör, utan hur den tillverkas.

PiezoMEMS är en tillämpning av mikro-elektromekaniska systemteknik som använder piezoelektriska material för att omvandla elektrisk energi till rörelse, i princip en spänningstyrd luftström. PiezoMEMS-komponenter tillverkas i en tillförlitlig, stabil och högt enhetlig halvledarprocess, vilket möjliggör massproduktion av högeffektiva, kostnadseffektiva mikroelektronik i små, 1-millimeter tunna chipförpackningar.

Aktiv kylning för gräns-AI-termisk hantering

UltraljudspiezoMEMS-kiselaktuatorer finns nu för att pumpa helt tysta, vibrationsfria luftpulser för att kyla tunna, begränsade elektroniksystem – i princip en fläkt på en chip.

Konsekvenserna för kylning av gräns-AI-enheter är djupgående. Den första piezoMEMS-mikrofläkten är 96 procent mindre och lättare än traditionella fläktar – och är den enda aktiva termiska hanteringsenheten som är tillräckligt liten och tunn för att passa in i smartphones och AR-glasögon, håller yta- och komponenttemperaturer 15-30% svalare medan beräkning kan köras på topprestationsnivå under längre perioder.

PiezoMEMS-högtalare som konversations-AI-gränssnitt

Storlek och vikt: piezoMEMS-högtalare kan producera ekvivalent eller bättre ljudnivå (ljudtrycksnivå [SPL]) som konventionella spolehögtalare men till en bråkdel av storleken, tjockleken och vikten. Tillämpning av denna nya högtalare på AI-aktiverade glasögon kan få produktformgivare att närma sig den heliga graalbalans som nämns tidigare i den här artikeln.

Här är två exempel. Först, vid 1 millimeter tjock, är piezoMEMS-högtalaren ~70% tunnare än konventionella spolehögtalare, vilket tillåter att armarna på glasögonen kan göras tunnare och mer stilrena.

Andra, det har föreslagits att den ideala vikten för glasögon är 30 gram för att uppnå all-dag-bär-komfort. I AI-glasögon väger konventionella spolehögtalare vanligtvis ~2 gram vardera. Med en i varje glasarm (4 gram totalt) bidrar högtalarna med ~15% av den totala vikten av systemet. PiezoMEMS-högtalare, vid ~150 milligram vardera, kan ta bort >90% av den vikt som bidras av högtalarna, vilket bringar AR-glasögon närmare 30-grams-målet.

Ljudklarhet. Utöver sin lilla storlek och vikt förbättrar piezoMEMS-högtalare ljudupplevelsen. De genererar inte bara tillräcklig volym i det fria luften, utan de excellerar också i återgivning av de höga frekvenser som vanligtvis är förknippade med förbättrad talbegriplighet och klarhet. Detta beror på att piezoMEMS levererar en snabbare mekanisk respons än traditionella högtalardesigner med nästan ingen fasförskjutning, vilket innebär att ljudet är klart, detaljerat och exakt.

Förbättrade DSP-funktioner. Slutligen kommer DSP-intensiva funktioner som sekretesslägen och riktat ljud att fungera bättre med piezoMEMS-högtalare. Tack vare enhetligheten och konsekvensen i halvledarprocessen har dessa högtalare nästan idealiska del-till-del-ljudnivå och fasmatchning, vilket ger en mer förutsägbar fönster för DSP-algoritmen att fungera. Med mindre variabilitet från högtalaren kan DSP-algoritmerna förbättra prestandan med mindre bearbetningsöverhuvud.

Att låsa upp potentialen för gräns-AI-enheter

Till slut kommer det att kräva betydande innovation för att ta genAI till konsumentgränsenheter. Inte bara måste tillverkare övervinna fysik, utan de måste också säkerställa den bästa möjliga användarupplevelsen – allt utan att kompromissa med formfaktor.

Nya innovationer inom piezoMEMS-teknik öppnar möjligheter att ta bort termiska begränsningar, leverera förbättrad talbegriplighet för konversations-AI samtidigt som de förbättrar stilen (tunn) och komforten (vikt) i gräns-AI-smartphones och AR-glasögon.

GenAI-ekosystemet är stort och sammanlänkat. PiezoMEMS kan vara en nyckelaktör.