Thư viện Nguồn Tin KH&CN Tài nguyên là trí thức
Bài viết liên quan
Thiết kế mới có thể xếp chồng lên nhau và có thể cấu hình lại, để hoán đổi và xây dựng dựa trên các cảm biến và bộ xử lý mạng thần kinh hiện có
Hình minh họa
Các kỹ sư đã chế tạo một con chip trí tuệ nhân tạo mới, nhằm hướng tới thiết bị điện tử mô-đun, bền vững. Con chip có thể được cấu hình lại, với các lớp có thể được hoán đổi hoặc xếp chồng lên nhau, chẳng hạn như để thêm cảm biến mới hoặc bộ xử lý cập nhật.
Hãy tưởng tượng một tương lai bền vững hơn, nơi điện thoại di động, đồng hồ thông minh và các thiết bị đeo khác không phải bị xếp dỡ hoặc bị loại bỏ cho một mô hình mới hơn. Thay vào đó, chúng có thể được nâng cấp với các cảm biến và bộ xử lý mới nhất sẽ gắn vào chip bên trong của thiết bị – giống như những viên gạch LEGO được tích hợp vào một công trình hiện có. Phần mềm chip có thể cấu hình lại như vậy có thể giữ cho các thiết bị được cập nhật trong khi giảm thiểu rác thải điện tử của chúng ta.
Giờ đây, các kỹ sư của MIT đã thực hiện một bước hướng tới tầm nhìn mô-đun đó với thiết kế giống như LEGO dành cho chip trí tuệ nhân tạo có thể xếp chồng, có thể cấu hình lại.
Thiết kế bao gồm các lớp phần tử cảm biến và xử lý xen kẽ, cùng với các điốt phát sáng (LED) cho phép các lớp của chip giao tiếp quang học. Các thiết kế chip mô-đun khác sử dụng hệ thống dây thông thường để chuyển tiếp tín hiệu giữa các lớp. Những kết nối phức tạp như vậy rất khó, nếu không muốn nói là không thể cắt đứt và cuộn lại, khiến các thiết kế có thể xếp chồng lên nhau như vậy không thể cấu hình lại.
Thiết kế MIT sử dụng ánh sáng, thay vì dây vật lý, để truyền thông tin qua chip. Do đó, chip có thể được cấu hình lại, với các lớp có thể được hoán đổi hoặc xếp chồng lên nhau, chẳng hạn như để thêm cảm biến mới hoặc bộ xử lý cập nhật.
“Bạn có thể thêm nhiều lớp điện toán và cảm biến tùy thích, chẳng hạn như ánh sáng, áp suất và thậm chí cả mùi”, postdoc Jihoon Kang của MIT cho biết. “Chúng tôi gọi đây là chip AI có thể cấu hình lại giống LEGO vì nó có khả năng mở rộng không giới hạn tùy thuộc vào sự kết hợp của các lớp.”
Các nhà nghiên cứu đang mong muốn áp dụng thiết kế cho các thiết bị điện toán biên – các cảm biến tự cung cấp và các thiết bị điện tử khác hoạt động độc lập với bất kỳ tài nguyên trung tâm hoặc phân tán nào như siêu máy tính hoặc điện toán dựa trên đám mây.
Jeehwan Kim, phó giáo sư kỹ thuật cơ khí tại MIT cho biết: “Khi chúng ta bước vào kỷ nguyên của internet vạn vật dựa trên mạng cảm biến, nhu cầu về các thiết bị điện toán biên đa chức năng sẽ mở rộng đáng kể. “Kiến trúc phần cứng được đề xuất của chúng tôi sẽ cung cấp tính linh hoạt cao của điện toán biên trong tương lai.”
Kết quả của nhóm nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Electronics . Ngoài Kim và Kang, các tác giả của MIT bao gồm đồng tác giả Chanyeol Choi, Hyunseok Kim và Min-Kyu Song, và các tác giả đóng góp 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 và Peng Lin, cùng với các cộng tác viên từ Đại học Harvard, Đại học Thanh Hoa, Đại học Chiết Giang và các nơi khác.
Chiếu sáng đường đi
Thiết kế của nhóm hiện đã được định cấu hình để thực hiện các tác vụ nhận dạng hình ảnh cơ bản. Nó hoạt động như vậy thông qua một lớp các cảm biến hình ảnh, đèn LED và bộ xử lý được tạo ra từ các khớp thần kinh nhân tạo – các mảng điện trở bộ nhớ, hoặc “bộ nhớ”, mà nhóm đã phát triển trước đó, cùng hoạt động như một mạng nơ-ron vật lý hoặc “não bộ -một con gà.” Mỗi mảng có thể được huấn luyện để xử lý và phân loại tín hiệu trực tiếp trên chip mà không cần phần mềm bên ngoài hoặc kết nối Internet.
Trong thiết kế chip mới của họ, các nhà nghiên cứu đã ghép nối các cảm biến hình ảnh với các mảng khớp thần kinh nhân tạo, mỗi mảng được đào tạo để nhận dạng các chữ cái nhất định – trong trường hợp này là M, I và T. Trong khi cách tiếp cận thông thường sẽ là chuyển tiếp tín hiệu của cảm biến tới một bộ xử lý thông qua dây vật lý, thay vào đó, nhóm nghiên cứu đã chế tạo một hệ thống quang học giữa mỗi cảm biến và mảng khớp thần kinh nhân tạo để cho phép giao tiếp giữa các lớp mà không yêu cầu kết nối vật lý.
“Các chip khác được nối dây vật lý thông qua kim loại, điều này khiến chúng khó quấn lại và thiết kế lại, vì vậy bạn cần phải tạo một chip mới nếu bạn muốn thêm bất kỳ chức năng mới nào”, MIT postdoc Hyunseok Kim cho biết. “Chúng tôi đã thay thế kết nối dây vật lý đó bằng một hệ thống liên lạc quang học, cho phép chúng tôi tự do xếp chồng và thêm chip theo cách chúng tôi muốn.”
Hệ thống liên lạc quang học của nhóm bao gồm các bộ tách sóng quang và đèn LED, mỗi bộ được tạo mẫu bằng các pixel nhỏ. Bộ tách sóng quang tạo thành một cảm biến hình ảnh để nhận dữ liệu và đèn LED để truyền dữ liệu đến lớp tiếp theo. Khi một tín hiệu (ví dụ: hình ảnh của một chữ cái) đến cảm biến hình ảnh, mẫu ánh sáng của hình ảnh mã hóa một cấu hình nhất định của các pixel LED, từ đó kích thích một lớp bộ tách sóng quang khác, cùng với một mảng khớp thần kinh nhân tạo, phân loại tín hiệu dựa trên về kiểu và cường độ của đèn LED chiếu tới.
Xếp chồng lên
Nhóm nghiên cứu đã chế tạo một con chip duy nhất, với một lõi máy tính có kích thước khoảng 4 mm vuông, hoặc có kích thước bằng một mẩu hoa giấy. Con chip được xếp chồng lên nhau với ba “khối” nhận dạng hình ảnh, mỗi “khối” bao gồm cảm biến hình ảnh, lớp giao tiếp quang học và mảng khớp thần kinh nhân tạo để phân loại một trong ba chữ cái, M, I hoặc T. chip và đo dòng điện mà mỗi mảng mạng nơ-ron tạo ra để đáp ứng. (Dòng điện càng lớn, cơ hội hình ảnh thực sự là ký tự mà mảng cụ thể được đào tạo để nhận ra càng lớn.)
Nhóm nghiên cứu nhận thấy rằng con chip đã phân loại chính xác các hình ảnh rõ ràng của từng chữ cái, nhưng nó ít có khả năng phân biệt giữa các hình ảnh mờ, ví dụ như giữa I và T. Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu có thể nhanh chóng hoán đổi lớp xử lý của chip để tốt hơn ” làm biến dạng “bộ xử lý, và tìm thấy con chip sau đó nhận dạng chính xác các hình ảnh.
“Chúng tôi đã cho thấy khả năng xếp chồng, khả năng thay thế và khả năng chèn một chức năng mới vào chip,” MIT postdoc Min-Kyu Song lưu ý.
Các nhà nghiên cứu có kế hoạch bổ sung thêm nhiều khả năng cảm biến và xử lý cho chip, và họ hình dung rằng các ứng dụng sẽ là vô hạn.
Choi cho biết: “Chúng tôi có thể thêm các lớp vào camera của điện thoại di động để nó có thể nhận ra những hình ảnh phức tạp hơn hoặc biến chúng thành màn hình chăm sóc sức khỏe có thể được nhúng vào da điện tử đeo được” dấu hiệu.
Ông cho biết thêm, một ý tưởng khác là đối với các chip mô-đun, được tích hợp vào thiết bị điện tử, mà người tiêu dùng có thể chọn để xây dựng các “viên gạch” cảm biến và bộ xử lý mới nhất.
“Chúng tôi có thể tạo ra một nền tảng chip chung và mỗi lớp có thể được bán riêng như một trò chơi điện tử”, Jeehwan Kim nói. “Chúng tôi có thể tạo ra các loại mạng nơ-ron khác nhau, chẳng hạn như nhận dạng hình ảnh hoặc giọng nói và cho phép khách hàng chọn những gì họ muốn và thêm vào một con chip hiện có như LEGO.”
Nghiên cứu này một phần được hỗ trợ bởi Bộ Thương mại, Công nghiệp và Năng lượng (MOTIE) từ Hàn Quốc; Viện Khoa học và Công nghệ Hàn Quốc (KIST); và Chương trình Tiếp cận Nghiên cứu Toàn cầu của Samsung.
Phạm Vương (sciencedaily)
