Теперь инженеры Массачусетского технологического института сделали шаг к этому модульному видению, разработав похожий на LEGO дизайн для штабелируемого реконфигурируемого чипа искусственного интеллекта.

Конструкция включает чередующиеся слои чувствительных и обрабатывающих элементов, а также светоизлучающие диоды (LED), которые позволяют слоям чипа оптически взаимодействовать. Другие конструкции модульных микросхем используют обычную проводку для передачи сигналов между слоями. Такие сложные соединения трудно, если не невозможно, разорвать и перемонтировать, что делает такие штабелируемые конструкции не перенастраиваемыми.

В конструкции MIT для передачи информации через чип используется свет, а не физические провода. Таким образом, чип может быть реконфигурирован с использованием слоев, которые можно менять местами или накладывать друг на друга, например, для добавления новых датчиков или обновленных процессоров.

"Вы можете добавить столько вычислительных слоев и датчиков, сколько захотите, например, для измерения света, давления и даже запаха", - говорит постдок Массачусетского технологического института Джихун Кан. "Мы называем это реконфигурируемым чипом искусственного интеллекта, похожим на LEGO, потому что он обладает неограниченной возможностью расширения в зависимости от комбинации слоев".

Исследователи стремятся применить этот дизайн к периферийным вычислительным устройствам - самодостаточным датчикам и другой электронике, которые работают независимо от любых центральных или распределенных ресурсов, таких как суперкомпьютеры или облачные вычисления.

"Поскольку мы вступаем в эпоху интернета вещей, основанного на сенсорных сетях, спрос на многофункциональные периферийные вычислительные устройства резко возрастет", - говорит Джихван Ким, адъюнкт-профессор машиностроения Массачусетского технологического института. "Предлагаемая нами аппаратная архитектура обеспечит высокую универсальность периферийных вычислений в будущем".

Результаты команды опубликованы в Природная электроника. В дополнение к Ким и Кангу, в число авторов MIT входят соавторы Чанель Чхве, Хенсок Ким и Мин Кю Сон, а также авторы-соавторы Ханвул Ен, Селеста Чанг, Чжун Мин Су, Джихо Шин, Куангье Лу, Бо Ин Пак, Ен Ким, Хан Эол Ли, Доюн Ли., Субин Панг, Санг-Хун Бэ, Хун С. Кум и Пэн Лин, а также сотрудники из Гарвардского университета, Университета Цинхуа, Чжэцзянского университета и других.

Освещая путь

Дизайн команды в настоящее время настроен для выполнения основных задач распознавания изображений. Это достигается с помощью наслоения датчиков изображения, светодиодов и процессоров, изготовленных из искусственных синапсов - ранее разработанных командой массивов резисторов памяти, или "мемристоров", которые вместе функционируют как физическая нейронная сеть, или "мозг на чипе". Каждый массив может быть обучен обрабатывать и классифицировать сигналы непосредственно на чипе, без необходимости внешнего программного обеспечения или подключения к Интернету.

В своей новой конструкции чипа исследователи соединили датчики изображения с искусственными синаптическими матрицами, каждую из которых они обучили распознавать определенные буквы - в данном случае M, I и T. В то время как обычный подход заключался бы в передаче сигналов датчика процессору по физическим проводам, команда вместо этого изготовила оптическая система между каждым датчиком и искусственной матрицей синапсов обеспечивает связь между слоями, не требуя физического подключения.

"Другие чипы физически подключены через металл, что затрудняет их перепрошивку и редизайн, поэтому вам нужно будет создать новый чип, если вы хотите добавить какую-либо новую функцию", - говорит постдок Массачусетского технологического института Хенсок Ким. "Мы заменили это физическое проводное соединение оптической системой связи, которая дает нам свободу складывать и добавлять чипы так, как мы хотим".

Система оптической связи команды состоит из парных фотоприемников и светодиодов, каждый из которых имеет узор из крошечных пикселей. Фотоприемники представляют собой датчик изображения для приема данных и светодиоды для передачи данных на следующий уровень. Когда сигнал (например, изображение буквы) достигает датчика изображения, световой рисунок изображения кодирует определенную конфигурацию светодиодных пикселей, что, в свою очередь, стимулирует другой слой фотоприемников, наряду с искусственной матрицей синапсов, которая классифицирует сигнал на основе рисунка и силы входящего светодиода. свет.

Складывание в кучу

Команда изготовила один чип с вычислительным ядром размером около 4 квадратных миллиметров, или размером с кусочек конфетти. Чип состоит из трех "блоков" распознавания изображений, каждый из которых содержит датчик изображения, слой оптической связи и матрицу искусственных синапсов для классификации одной из трех букв, M, I или T. Затем они высветили пикселизированное изображение случайных букв на чипе и измерили электрический ток, который каждый массив нейронной сети вырабатывал в ответ. (Чем больше ток, тем больше вероятность того, что изображение действительно является буквой, которую конкретный массив обучен распознавать.)

Команда обнаружила, что чип правильно классифицировал четкие изображения каждой буквы, но он был менее способен различать размытые изображения, например, между I и T. Однако исследователи смогли быстро заменить слой обработки чипа на более "шумоподавляющий" процессор, и затем точно нашли чип идентифицировал изображения.

"Мы продемонстрировали возможность штабелирования, замены и возможность вставить новую функцию в чип", - отмечает постдок Массачусетского технологического института Мин-Кю Сон.

Исследователи планируют добавить к чипу больше возможностей для распознавания и обработки данных, и они предполагают, что возможности применения будут безграничными.

"Мы можем добавлять слои к камере мобильного телефона, чтобы она могла распознавать более сложные изображения, или превращать их в медицинские мониторы, которые могут быть встроены в носимую электронную оболочку", - предлагает Чой, который вместе с Ким ранее разработал "умную" оболочку для мониторинга жизненно важных показателей.

Другая идея, добавляет он, заключается в модульных чипах, встроенных в электронику, которые потребители могут создавать с помощью новейших сенсорных и процессорных "кирпичиков".

"Мы можем создать общую платформу чипов, и каждый слой можно было бы продавать отдельно, как видеоигру", - говорит Джихван Ким. "Мы могли бы создавать различные типы нейронных сетей, например, для распознавания изображений или голоса, и позволить клиенту выбирать то, что он хочет, и добавлять к существующему чипу, например, LEGO".

Это исследование было частично поддержано Министерством торговли, промышленности и энергетики (MOTIE) Южной Кореи; Корейским институтом науки и технологий (KIST); и Глобальной исследовательской программой Samsung.