Imagine un futuro más sostenible en el que los teléfonos móviles, los relojes inteligentes y otros dispositivos portátiles no tengan que dejarse de lado por un modelo más nuevo ni desecharse. En cambio, podrían actualizarse con los últimos sensores y procesadores que se acoplan al chip interno de un dispositivo, como ladrillos LEGO integrados en una construcción existente. Tal chipware reconfigurable podría mantener los dispositivos actualizados mientras reduce nuestros desechos electrónicos.
Ahora, los ingenieros del MIT han dado un paso hacia esa visión modular con un diseño tipo LEGO para un chip de inteligencia artificial apilable y reconfigurable.
El diseño incluye capas alternas de elementos de detección y procesamiento, así como diodos emisores de luz (LED) que permiten la comunicación óptica entre las capas del chip. Otros diseños de chips modulares utilizan cableado convencional para enrutar señales entre capas. Estas conexiones complejas son difíciles, si no imposibles, de desconectar y volver a cablear, lo que hace que estos diseños apilables no sean reconfigurables.
El diseño del MIT utiliza luz en lugar de cables físicos para transmitir información a través del chip. Por lo tanto, el chip se puede reconfigurar, intercambiar o apilar capas para agregar nuevos sensores o procesadores actualizados, por ejemplo.
«Puede agregar tantas capas de cómputo y sensores como desee, para cosas como la luz, la presión e incluso el olor», dice el postdoctorado del MIT, Jihoon Kang. «Llamamos a esto un chip de inteligencia artificial reconfigurable similar a LEGO porque es infinitamente expandible dependiendo de cómo se combinen las capas».
Los investigadores tienen como objetivo aplicar el diseño a los dispositivos informáticos de borde: sensores autónomos y otros dispositivos electrónicos que funcionan independientemente de los recursos centralizados o distribuidos, como las supercomputadoras o la computación basada en la nube.
«A medida que ingresamos en la era de la Internet de las cosas basada en redes de sensores, la demanda de dispositivos informáticos de borde multifuncionales aumentará drásticamente», dijo Jeehwan Kim, profesor asociado de ingeniería mecánica en el MIT. «Nuestra arquitectura de hardware propuesta proporcionará una gran versatilidad de la informática de punta en el futuro».
Los resultados del equipo se publicarán hoy en naturaleza electronica. Además de Kim y Kang, los autores del MIT incluyen a los coautores Chanyeol Choi, Hyunseok Kim y Min-Kyu Song, y los autores contribuyentes Hanwool Yeon, Celesta Chang, Jun Min Suh, Jiho Shin, Kuangye Lu, Bo-In Park, Yeongin Kim, Han Eol Lee, Doyoon Lee, Subeen Pang, Sang-Hoon Bae, Hun S. Kum y Peng Lin, junto con colaboradores de la Universidad de Harvard, la Universidad de Tsinghua, la Universidad de Zhejiang y otros lugares.
Iluminar el camino
El diseño del equipo está actualmente configurado para realizar tareas básicas de reconocimiento de imágenes. Lo hace a través de una capa de sensores de imagen, LED y procesadores hechos de sinapsis artificiales: conjuntos de resistencias de memoria, o «memristores», que el equipo desarrolló previamente que funcionan juntos como una red neuronal física, o «cerebro en un- chip.» Cada arreglo puede actuar sobre él, ser entrenado para procesar y clasificar señales directamente en un chip sin la necesidad de un software externo o una conexión a Internet.
En su nuevo diseño de chip, los investigadores combinaron sensores de imagen con conjuntos de sinapsis artificiales, cada uno de los cuales entrenaron para reconocer letras específicas, en este caso M, I y T. Mientras que un enfoque tradicional implicaría enviar señales desde un sensor a una ruta To el procesador a través de cables físicos, el equipo fabricó un sistema óptico entre cada sensor y una matriz de sinapsis artificial para permitir la comunicación entre las capas sin necesidad de una conexión física.
«Otros chips están cableados físicamente a través del metal, lo que los hace difíciles de volver a cablear y rediseñar, por lo que si quisieras agregar una nueva función, tendrías que hacer un nuevo chip», dice Hyunseok Kim, postdoctorado del MIT. «Hemos reemplazado esa conexión física por cable con un sistema de comunicaciones ópticas que nos da la libertad de apilar y agregar chips como queramos».
El sistema de comunicación óptica del equipo consta de fotodetectores y LED emparejados, cada uno con un patrón de píxeles diminutos. Los fotodetectores forman un sensor de imagen para recibir datos y LED para transmitir datos a la siguiente capa. Cuando una señal (como la imagen de una letra) llega al sensor de imagen, el patrón de luz de la imagen codifica una configuración específica de píxeles LED, que a su vez estimula otra capa de fotodetectores, junto con una matriz de sinapsis artificial que lee la señal clasificada según en el patrón y la intensidad de la luz LED incidente.
el relleno
El equipo fabricó un único chip con un núcleo que medía unos 4 milímetros cuadrados, o del tamaño de un trozo de confeti. El chip está apilado con tres «bloques» de reconocimiento de imágenes, cada uno de los cuales comprende un sensor de imagen, una capa de comunicación óptica y una matriz de sinapsis artificial para clasificar una de las tres letras M, I o T. Luego iluminaron una imagen pixelada de letras aleatorias en el chip y midieron la corriente eléctrica que cada red neuronal generó en respuesta. (Cuanto mayor sea el flujo, mayor será la probabilidad de que la imagen sea realmente la letra que la matriz está entrenada para reconocer).
El equipo encontró que el chip clasificó correctamente las imágenes claras de cada letra, pero fue menos capaz de distinguir entre imágenes borrosas, como entre I y T. Sin embargo, los investigadores pudieron cambiar rápidamente la capa de procesamiento del chip por una mejor. Procesador de eliminación de ruido, encontró el chip y luego identificó con precisión las imágenes.
«Hemos demostrado capacidad de apilamiento, intercambiabilidad y la capacidad de incorporar una nueva función en el chip», señala el posdoctorado del MIT Min-Kyu Song.
Los investigadores planean agregar más capacidades de detección y procesamiento al chip y prevén aplicaciones ilimitadas.
«Podemos agregar capas a la cámara de un teléfono celular para que reconozca imágenes más complejas, o convertirlas en monitores de salud que se pueden incrustar en una piel electrónica portátil», ofrece Choi, quien previamente desarrolló una piel «inteligente» para monitorear con Kim Vital. signos ha desarrollado caracteres.
Otra idea, agrega, son los chips modulares integrados en la electrónica que los consumidores pueden construir con los últimos «bloques de construcción» de sensores y procesadores.
«Podemos crear una plataforma general de chips y cada capa podría venderse por separado como un videojuego», dice Jeehwan Kim. «Podríamos hacer diferentes tipos de redes neuronales, como para el reconocimiento de imágenes o de voz, y dejar que el cliente elija lo que quiere y agregar un chip existente como un LEGO».
Esta investigación fue financiada parcialmente por el Ministerio de Comercio, Industria y Energía de Corea del Sur (MOTIE); el Instituto Coreano de Ciencia y Tecnología (KIST); y el Programa de Extensión de Investigación Global de Samsung.
