Engenheiros constroem chip de inteligência artificial tipo LEGO

O novo design é empilhável e reconfigurável, para troca e construção de sensores e processadores de rede neural existentes.

Recentemente, os engenheiros do MIT deram um passo a mais em direção ao futuro. De acordo com a matéria publicada por Jannifer Chu, no MIT News, os pesquisadores estão desenvolvendo um chip de inteligência artificial empilhável e reconfigurável, com design semelhante ao LEGO. Ele poderá ser atualizado com os mais recentes sensores e processadores que se encaixam no chip interno de algum dispositivo, o que possibilitará a redução do lixo eletrônico.

Segundo a publicação, o design compreende camadas alternadas de elementos de detecção e processamento, juntamente com diodos emissores de luz (LED) que permitem que as camadas do chip se comuniquem opticamente. Outros projetos de chips modulares empregam fiação convencional para retransmitir sinais entre as camadas. Essas conexões intrincadas são difíceis, se não impossíveis, de cortar e reconectar, tornando esses projetos empilháveis ​​não reconfiguráveis.

O projeto do MIT usa luz, em vez de fios físicos, para transmitir informações através do chip. O chip pode, portanto, ser reconfigurado, com camadas que podem ser trocadas ou empilhadas, por exemplo, para adicionar novos sensores ou processadores atualizados.

“Você pode adicionar quantas camadas de computação e sensores quiser, como luz, pressão e até cheiro”, diz o pós-doutorando do MIT Jihoon Kang. “Chamamos isso de chip de IA reconfigurável do tipo LEGO porque tem capacidade de expansão ilimitada, dependendo da combinação de camadas”.

Os pesquisadores estão ansiosos para aplicar o design a dispositivos de computação de ponta – sensores autossuficientes e outros eletrônicos que funcionam independentemente de qualquer recurso central ou distribuído, como supercomputadores ou computação baseada em nuvem.

“À medida que entramos na era da internet das coisas baseada em redes de sensores, a demanda por dispositivos multifuncionais de computação de borda se expandirá drasticamente”, diz Jeehwan Kim, professor associado de engenharia mecânica do MIT. “Nossa arquitetura de hardware proposta fornecerá alta versatilidade de computação de borda no futuro”.


Continua depois da publicidade


Os resultados da equipe foram publicados na Nature Electronics. Além de Kim e Kang, os autores do MIT incluem os primeiros autores Chanyeol Choi, Hyunseok Kim e Min-Kyu Song, e os autores colaboradores 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 e Peng Lin, juntamente com colaboradores da Universidade de Harvard, Universidade de Tsinghua, Universidade de Zhejiang e outros.

Iluminando o caminho

O design da equipe está atualmente configurado para realizar tarefas básicas de reconhecimento de imagem. Ele faz isso por meio de uma camada de sensores de imagem, LEDs e processadores feitos de sinapses artificiais – matrizes de resistores de memória, ou “memristors”, que a equipe desenvolveu anteriormente, que juntos funcionam como uma rede neural física, ou “brain-on-a-chip". Cada array pode ser treinado para processar e classificar sinais diretamente em um chip, sem a necessidade de software externo ou conexão com a Internet.

Em seu novo design de chip, os pesquisadores emparelharam sensores de imagem com matrizes de sinapses artificiais, cada uma das quais eles treinaram para reconhecer certas letras - neste caso, M, I e T. Enquanto uma abordagem convencional seria retransmitir os sinais de um sensor para um processador por meio de fios físicos, a equipe fabricou um sistema óptico entre cada sensor e a matriz de sinapse artificial para permitir a comunicação entre as camadas, sem exigir uma conexão física. 

“Outros chips são fisicamente conectados através de metal, o que os torna difíceis de religar e reprojetar, então você precisaria fazer um novo chip se quisesse adicionar alguma nova função”, diz Hyunseok Kim, pós-doutorando do MIT. “Substituímos essa conexão de fio físico por um sistema de comunicação óptica, o que nos dá a liberdade de empilhar e adicionar chips da maneira que queremos”.

O sistema de comunicação óptica da equipe consiste em fotodetectores e LEDs emparelhados, cada um padronizado com minúsculos pixels. Os fotodetectores constituem um sensor de imagem para recepção de dados e LEDs para transmissão de dados para a próxima camada. À medida que um sinal (por exemplo, uma imagem de uma letra) chega ao sensor de imagem, o padrão de luz da imagem codifica uma certa configuração de pixels de LED, que por sua vez estimula outra camada de fotodetectores, juntamente com uma matriz de sinapses artificiais, que classifica o sinal com base no padrão e força da luz LED de entrada.

Empilhando

A equipe fabricou um único chip, com um núcleo de computação medindo cerca de 4 milímetros quadrados, ou aproximadamente do tamanho de um pedaço de confete. O chip é empilhado com três "blocos" de reconhecimento de imagem, cada um compreendendo um sensor de imagem, camada de comunicação óptica e matriz de sinapse artificial para classificar uma das três letras, M, I ou T. Eles então exibem uma imagem pixelizada de letras aleatórias no chip e medem a corrente elétrica que cada matriz de rede neural produziu em resposta. (Quanto maior a corrente, maior a chance de que a imagem seja de fato a letra que a matriz específica é treinada para reconhecer.)

A equipe descobriu que o chip classificou corretamente as imagens claras de cada letra, mas foi menos capaz de distinguir entre imagens borradas, por exemplo, entre I e T. No entanto, os pesquisadores conseguiram trocar rapidamente a camada de processamento do chip por um melhor processador “denoising” e descobriram que o chip identificou com precisão as imagens.

“Mostramos capacidade de empilhamento, substituibilidade e a capacidade de inserir uma nova função no chip”, observa Min-Kyu Song, pós-doutorando do MIT.

Os pesquisadores planejam adicionar mais recursos de detecção e processamento ao chip e prevêem que os aplicativos sejam ilimitados.
“Podemos adicionar camadas à câmera de um celular para que ele possa reconhecer imagens mais complexas, ou transformá-las em monitores de saúde que podem ser incorporados à pele eletrônica vestível”, oferece Choi, que junto com Kim desenvolveu anteriormente uma “pele inteligente” para monitoramento de sinais vitais.

Outra ideia, ele acrescenta, é para chips modulares, embutidos em eletrônicos, que os consumidores podem optar por construir com os mais recentes “tijolos” de sensores e processadores.

“Podemos fazer uma plataforma geral de chips e cada camada pode ser vendida separadamente como um videogame”, diz Jeehwan Kim. “Poderíamos fazer diferentes tipos de redes neurais, como para reconhecimento de imagem ou voz, e deixar o cliente escolher o que deseja e adicionar a um chip existente, como um LEGO”.

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pelo Ministério do Comércio, Indústria e Energia (MOTIE) da Coreia do Sul; o Instituto Coreano de Ciência e Tecnologia (KIST); e o Programa de Extensão de Pesquisa Global da Samsung.




Comentários