Nieznana technologia stojąca za nową generacją urządzeń z AI na krawędzi sieci
Być może nie słyszałeś o piezoMEMS – ale nowatorskie zastosowania tej maleńkiej, przełomowej technologii mogą odmienić przyszłość sztucznej inteligencji działającej na urządzeniach brzegowych.
W 2023 roku badacze oszacowali, że wygenerowanie obrazu za pomocą generatywnej sztucznej inteligencji (genAI) zużywa tyle energii, co naładowanie smartfona. A teraz wyobraź sobie tworzenie obrazów AI bezpośrednio na swoim telefonie.
Gdy AI przenosi się na urządzenia brzegowe, takie jak smartfony czy okulary rozszerzonej rzeczywistości (AR), najciekawsze i najbardziej powszechne zastosowania będą prawdopodobnie związane z doświadczeniami w czasie rzeczywistym, spersonalizowanymi i dostosowanymi do kontekstu. Ponieważ te urządzenia są zawsze przy nas, AI może wykorzystywać ich sensory – kamery, mikrofony, GPS, akcelerometry – aby zapewnić płynne, szybkie rozwiązania.
Można myśleć o AI jak o wszechobecnym pomocniku oferującym wsparcie w czasie rzeczywistym. W smartfonach może to oznaczać natychmiastowe tłumaczenie języka podczas rozmów lub podróży – np. gdy skierujesz aparat na tablicę, a tekst zostanie przetłumaczony na twój język. W okularach AR możliwości są jeszcze większe – wyobraź sobie spacer po mieście, podczas którego w polu widzenia pojawiają się fakty historyczne, recenzje restauracji lub wskazówki nawigacyjne, dostosowane do twoich zainteresowań, bez konieczności sięgania po urządzenie. Ponieważ edge AI przetwarza dane lokalnie, to również korzyść dla prywatności i zaufania.
Chociaż potencjał edge AI jest oczywisty i ogromny, wciąż istnieją wyzwania związane z hardware’em.
- Wyzwanie 1 – Termika: Podobnie jak w przypadku centrów danych AI, urządzenia edge AI są ograniczone termicznie, a nie przez moc obliczeniową. Smartfony już działają na granicy możliwości termicznych, a dodatkowe funkcje AI tylko pogłębiają problem. To samo dotyczy okularów AR, gdzie integruje się coraz więcej komponentów – układów obliczeniowych, optyki i mikroekranów.
- Wyzwanie 2 – Rozmiar/Waga/Forma: To ogromne wyzwanie dla okularów AR, gdzie producenci dążą do idealnej równowagi między komfortem noszenia przez cały dzień (waga) a wydajnością elektroniki i baterii, wszystko w modowym, stylowym designie.
- Wyzwanie 3 – Jakość dźwięku w konwersacyjnej AI: Głos będzie kluczowym interfejsem, szczególnie w okularach AR, umożliwiając szybką, bezdotykową obsługę. Jednak tradycyjne głośniki cewkowe są duże i nie sprawdzają się w ciasnych przestrzeniach. Dodatkowo, ich niska spójność między egzemplarzami negatywnie wpływa na zaawansowane funkcje DSP, takie jak tryby prywatności czy skupienia na rozmowie.
Mimo to trwa wyścig o wprowadzenie genAI na urządzenia brzegowe – smartfony, okulary AR i inne urządzenia mobilne. Badacze z Deloitte szacują, że do końca tego roku ponad 30% sprzedawanych smartfonów może być wyposażonych w genAI. Nie wspominając już o nowej kategorii inteligentnych okularów z genAI.
Część rozwiązania leży w przeprojektowaniu elektroniki, która trafia do tych urządzeń.
Komponenty piezoMEMS umożliwiają genAI na urządzeniach brzegowych
Technologia piezoMEMS odpowiada na wyzwania związane z genAI w urządzeniach brzegowych – nie tylko dzięki temu, co potrafi, ale także dzięki temu, jak jest wytwarzana.
PiezoMEMS to zastosowanie technologii mikro-elektromechanicznych (MEMS), która wykorzystuje materiały piezoelektryczne do zamiany energii elektrycznej na ruch, działając jak źródło przepływu powietrza sterowane napięciem. Komponenty piezoMEMS są produkowane w stabilnym, powtarzalnym procesie półprzewodnikowym, co pozwala na masową produkcję wydajnych i niedrogich mikroelektronik w małych, zaledwie 1-milimetrowych obudowach.
Aktywne chłodzenie dla zarządzania termiką w edge AI
Istnieją już piezoelektryczne siłowniki krzemowe, które pompują całkowicie ciche, pozbawione wibracji impulsy powietrza w celu chłodzenia cienkich, ograniczonych przestrzennie systemów elektronicznych – to właściwie wentylator w formie chipa.
Możliwości chłodzenia urządzeń edge AI są ogromne. Pierwszy mikro-wentylator piezoMEMS jest o 96% mniejszy i lżejszy niż tradycyjne wentylatory – i jest jedynym aktywnym systemem termicznym na tyle małym i cienkim, by zmieścić się w smartfonach i okularach AR. Pozwala to obniżyć temperaturę powierzchni i komponentów o 15-30%, umożliwiając dłuższą pracę z pełną wydajnością.
Głośniki piezoMEMS jako interfejs konwersacyjnej AI
Rozmiar i waga: głośniki piezoMEMS mogą zapewnić taką samą lub lepszą głośność (poziom ciśnienia akustycznego [SPL]) jak tradycyjne głośniki cewkowe, przy ułamku ich rozmiaru i wagi. Wykorzystanie tej technologii w okularach z AI przybliża projektantów do wspomnianej wcześniej idealnej równowagi.
Oto dwa przykłady. Po pierwsze, przy grubości zaledwie 1 mm głośnik piezoMEMS jest ~70% cieńszy niż konwencjonalne głośniki cewkowe, co pozwala na smuklejsze i bardziej stylowe oprawki.
Po drugie, sugeruje się, że idealna waga okularów to 30 gramów, aby zapewnić komfort noszenia przez cały dzień. W okularach AI tradycyjne głośniki ważą ~2 gramy każdy. Dwa głośniki (4 gramy) stanowią ~15% całkowitej wagi. Głośniki piezoMEMS, ważące ~150 miligramów każdy, mogą zmniejszyć wagę o >90%, zbliżając okulary AR do celu 30 gramów.
Jakość dźwięku: Oprócz małych rozmiarów i wagi, głośniki piezoMEMS poprawiają jakość audio. Nie tylko generują wystarczającą głośność w otwartej przestrzeni, ale także doskonale radzą sobie z wysokimi częstotliwościami, które wpływają na zrozumiałość mowy. Dzieje się tak, ponieważ piezoMEMS zapewnia szybszą reakcję mechaniczną niż tradycyjne głośniki, z minimalnym przesunięciem fazowym, co przekłada się na czysty i dokładny dźwięk.
Lepsze funkcje DSP: Wreszcie, zaawansowane funkcje DSP, takie jak tryby prywatności czy kierunkowy dźwięk, działają lepiej z głośnikami piezoMEMS. Dzięki spójności procesu półprzewodnikowego, głośniki te mają niemal idealną powtarzalność głośności i fazy, co daje algorytmom DSP bardziej przewidywalne warunki działania. Mniejsza zmienność głośników pozwala na lepszą wydajność przy mniejszym obciążeniu obliczeniowym.
Uwolnienie potencjału urządzeń edge AI
Ostatecznie, wprowadzenie generatywnej AI na urządzenia konsumenckie wymaga znaczących innowacji. Producenci muszą nie tylko pokonać ograniczenia fizyczne, ale także zapewnić najlepsze możliwe wrażenia użytkownika – wszystko bez kompromisów w designie.
Nowe rozwiązania w technologii piezoMEMS otwierają możliwości eliminacji ograniczeń termicznych, poprawy zrozumiałości mowy dla konwersacyjnej AI oraz zwiększenia stylu (cienkie oprawki) i komfortu (waga) w smartfonach i okularach AR z AI.
Ekosystem genAI jest rozległy i powiązany. PiezoMEMS może być kluczowym elementem tego rozwoju.