Įsivaizduokite tvaresnę ateitį, kurioje mobiliųjų telefonų, išmaniųjų laikrodžių ir kitų nešiojamų prietaisų nereikės atidėti į lentyną ar išmesti dėl naujesnio modelio. Vietoj to juos būtų galima atnaujinti naujausiais jutikliais ir procesoriais, kurie būtų pritvirtinti prie įrenginio vidinio lusto – tarsi LEGO kaladėlės, įkomponuotos į jau turimą konstrukciją. Tokia perkonfigūruojama mikroschemų įranga galėtų užtikrinti, kad prietaisai būtų nuolat atnaujinami, kartu mažinant elektronikos atliekų kiekį.
Dabar MIT inžinieriai žengė žingsnį šios modulinės vizijos link, sukurdami LEGO primenantį sukraunamo, perkonfigūruojamo dirbtinio intelekto lusto dizainą.
Dizainą sudaro kintantys jutiklių ir apdorojimo elementų sluoksniai, taip pat šviesos diodai (LED), leidžiantys lusto sluoksniams palaikyti optinį ryšį. Kituose modulinių lustų projektuose signalams tarp sluoksnių perduoti naudojami įprasti laidai. Tokias sudėtingas jungtis sunku ar net neįmanoma nutraukti ir iš naujo sujungti, todėl tokių sukraunamų konstrukcijų neįmanoma perkonfigūruoti.
MIT konstrukcijoje informacijai luste perduoti naudojama šviesa, o ne fiziniai laidai. Todėl mikroschemą galima perkonfigūruoti – sluoksnius galima keisti arba dėti vienas ant kito, pavyzdžiui, pridėti naujų jutiklių arba atnaujintų procesorių.
„Galite pridėti tiek skaičiavimo sluoksnių ir jutiklių, kiek tik norite, pavyzdžiui, šviesos, slėgio ir net kvapo, – sako MIT doktorantas Džiunas Kangas (Jihoon Kang). „Mes tai vadiname į LEGO panašiu perkonfigūruojamu dirbtinio intelekto lustu, nes jis turi neribotas išplėtimo galimybes, priklausomai nuo sluoksnių derinio.”
Tyrėjai nekantrauja pritaikyti šią konstrukciją kraštiniams skaičiavimo įrenginiams – savarankiškiems jutikliams ir kitai elektronikai, kurie veikia nepriklausomai nuo bet kokių centrinių ar paskirstytų išteklių, pavyzdžiui, superkompiuterių ar debesų kompiuterijos.”
„Įžengus į jutiklių tinklais pagrįsto daiktų interneto erą, daugiafunkcinių kraštinių skaičiavimo įrenginių paklausa smarkiai išaugs, – sako MIT mechanikos inžinerijos docentas Jeehwan Kim. „Mūsų siūloma aparatinės įrangos architektūra ateityje užtikrins didelį kraštinių kompiuterių universalumą.”
Komandos rezultatai šiandien paskelbti žurnale Nature Electronics. Be Kimo ir Kango, tarp MIT autorių yra pirmieji autoriai Chanyeol Choi, Hyunseok Kim ir Min-Kyu Song, taip pat autoriai 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 ir Peng Lin kartu su Harvardo universiteto, Tsinghua universiteto, Džedziango universiteto ir kitų universitetų bendradarbiais.
Apšvietimas
Komandos projektas šiuo metu yra sukonfigūruotas taip, kad galėtų atlikti pagrindines vaizdų atpažinimo užduotis. Tai atliekama sluoksniuojant vaizdo jutiklius, šviesos diodus ir procesorius, pagamintus iš dirbtinių sinapsių – atminties rezistorių, arba memristorių, masyvų, kuriuos komanda sukūrė anksčiau ir kurie kartu veikia kaip fizinis neuroninis tinklas, arba „smegenys ant lusto” Kiekvieną matricą galima išmokyti apdoroti ir klasifikuoti signalus tiesiogiai luste, nenaudojant išorinės programinės įrangos ar interneto ryšio.
Naujame lusto projekte tyrėjai sujungė vaizdo jutiklius su dirbtinių sinapsių matricomis, kurių kiekvieną išmokė atpažinti tam tikras raides, šiuo atveju M, I ir T. Nors įprastai jutiklio signalai į procesorių perduodami fiziniais laidais, komanda vietoj to pagamino optinę sistemą tarp kiekvieno jutiklio ir dirbtinių sinapsių matricos, kad būtų užtikrintas ryšys tarp sluoksnių, nereikalaujant fizinio ryšio.
„Kiti lustai yra fiziškai sujungti per metalą, todėl juos sunku pertvarkyti ir perprojektuoti, todėl, jei norėtumėte pridėti naują funkciją, reikėtų gaminti naują lustą”, – sako MIT doktorantas Hyunseokas Kimas (Hyunseok Kim). „Fizinį laidinį ryšį pakeitėme optinio ryšio sistema, kuri suteikia mums laisvę dėlioti ir pridėti lustus taip, kaip norime.”
Komandos optinio ryšio sistemą sudaro suporuoti fotodetektoriai ir šviesos diodai, kurių kiekviename yra mažų pikselių. Fotodetektoriai sudaro vaizdo jutiklį duomenims priimti, o šviesos diodai – duomenims perduoti į kitą sluoksnį. Kai signalas (pavyzdžiui, raidės atvaizdas) pasiekia vaizdo jutiklį, vaizdo šviesos raštas užkoduoja tam tikrą šviesos diodų pikselių konfigūraciją, kuri savo ruožtu stimuliuoja kitą fotodetektorių sluoksnį kartu su dirbtinių sinapsių matrica, kuri klasifikuoja signalą pagal įeinančios šviesos diodų šviesos raštą ir stiprumą.
Sudėliojimas
Komanda pagamino vieną lustą, kurio skaičiavimo šerdis yra maždaug 4 kvadratinių milimetrų, arba maždaug konfeti gabalėlio dydžio. Į lustą sudėti trys vaizdų atpažinimo „blokai”, kurių kiekvieną sudaro vaizdo jutiklis, optinio ryšio sluoksnis ir dirbtinių sinapsių masyvas, skirtas klasifikuoti vieną iš trijų raidžių: M, I arba T. Tada jie švietė į lustą atsitiktinių raidžių pikselinį vaizdą ir išmatavo elektros srovę, kurią reaguodamas sukūrė kiekvienas neuronų tinklo masyvas. (Kuo didesnė srovė, tuo didesnė tikimybė, kad vaizdas iš tiesų yra raidė, kurią atpažinti išmokyta konkreti matrica)
Komanda nustatė, kad lustas teisingai klasifikavo aiškius kiekvienos raidės vaizdus, tačiau prasčiau skyrė neryškius vaizdus, pavyzdžiui, I ir T. Tačiau tyrėjai galėjo greitai pakeisti lusto apdorojimo sluoksnį geresniu „denozavimo” procesoriumi ir nustatė, kad tada lustas tiksliai atpažino vaizdus.
„Parodėme, kad lustą galima sudėti į krūvą, pakeisti ir įterpti į jį naują funkciją, – pažymi MIT doktorantas Min-Kyu Songas.
Tyrėjai planuoja lustą papildyti dar daugiau jutimo ir apdorojimo galimybių, o jų įsivaizdavimas, kad pritaikymo sritys bus neribotos:
„Galime pridėti sluoksnius prie mobiliojo telefono kameros, kad ji galėtų atpažinti sudėtingesnius vaizdus, arba paversti juos sveikatos priežiūros monitoriais, kuriuos galima įterpti į dėvimą elektroninę odą”, – siūlo Choi, kuris kartu su Kim anksčiau sukūrė „išmaniąją” odą gyvybinėms funkcijoms stebėti.
Dar viena idėja, priduria jis, yra modulinės mikroschemos, įmontuotos į elektronikos prietaisus, kuriuos vartotojai galėtų pasirinkti ir susidėti iš naujausių jutiklių ir procesorių „plytų.”
„Galime sukurti bendrą mikroschemų platformą, o kiekvienas sluoksnis galėtų būti parduodamas atskirai kaip vaizdo žaidimas, – sako Jeehwan Kim. „Galėtume sukurti įvairių tipų neuroninius tinklus, pavyzdžiui, skirtus vaizdui ar balsui atpažinti, ir leisti klientui pasirinkti, ko jis nori, bei pridėti prie esamo lusto kaip LEGO.”
Šį tyrimą iš dalies rėmė Pietų Korėjos prekybos, pramonės ir energetikos ministerija (MOTIE), Korėjos mokslo ir technologijų institutas (KIST) ir „Samsung Global Research Outreach Program”
