Chagua Lugha

Ukombozi wa Elektroniki ya Kuchapishwa na Kubadilika: Njia ya Akili ya Kando Iliyojazwa Kila Mahali

Uchambuzi wa elektroniki ya kuchapishwa na kubadilika kwa ajili ya kompyuta ya gharama nafuu sana, endelevu kwenye ukingo wa mwisho, kujumuisha changamoto, matumizi ya ML, na mwelekeo wa baadaye.
rgbcw.org | PDF Size: 2.2 MB
Ukadiriaji: 4.5/5
★ ★ ★ ★ ★
Ukadiriaji Wako
Umekadiria waraka huu tayari
Kifuniko cha Waraka PDF - Ukombozi wa Elektroniki ya Kuchapishwa na Kubadilika: Njia ya Akili ya Kando Iliyojazwa Kila Mahali
Tazama Waraka PDF Pakua PDF Tafsiri PDF
Nyumbani » Nyaraka » Ukombozi wa Elektroniki ya Kuchapishwa na Kubadilika: Njia ya Akili ya Kando Iliyojazwa Kila Mahali

1. Utangulizi

Elektroniki ya Kuchapishwa na Kubadilika (PFE) inawakilisha mabadiliko makubwa kutoka kwa kompyuta ya jadi yenye msingi wa silikoni, ikilenga maeneo ya matumizi kwenye ukingo wa mwisho ambapo gharama nafuu sana, kubadilika kwa mitambo, na uendelevu ni muhimu zaidi. Karatasi hii inaweka PFE kama teknolojia inayowezesha kompyuta kila mahali katika bidhaa za haraka za watumiaji, afya ya vaa, na vifaa vya matibabu vinavyotupwa—maeneo ambapo gharama, ukakamizi, na athari za kimazingira za silikoni ni vikwazo.

2. Msingi wa Teknolojia ya PFE

PFE imejengwa juu ya michakato maalum ya utengenezaji inayotofautiana kabisa na VLSI ya kawaida.

2.1 Utengenezaji na Nyenzo

Teknolojia muhimu zinajumuisha mchakato wa FlexIC wa Pragmatic Semiconductor, ambao hutumia Transista za Filamu Nyembamba (TFTs) za Indiamu-Galiamu-Zinki Oksaidi (IGZO) kwenye viunzi vya msingi vya nyembamba sana na vinavyobadilika. Njia za kuchapisha zinawezesha utengenezaji uliosambazwa, wa gharama nafuu zaidi na matumizi ya maji, matumizi ya nishati, na wino wa kaboni yamepunguzwa sana ikilinganishwa na viwanda vya silikoni.

2.2 Tabia za Utendaji

Utendaji wa PFE ni wa kiwango cha chini sana ukilinganisha na silikoni: elektroniki iliyochapishwa hufanya kazi katika safu ya Hz, wakati elektroniki inayobadilika (FlexICs) hufikia safu ya kHz. Msongamano wa ujumuishaji na idadi ya vifaa ni mdogo. Hata hivyo, tabia hizi zinatosha kwa matumizi yenye viwango vya chini vya sampuli (Hz chache) na usahihi mdogo wa biti, na kuwezesha urekebishaji mahali pamoja na utengenezaji maalum wa mahali pa matumizi.

Ulinganisho Muhimu wa Utendaji

Silikoni VLSI: Uendeshaji wa GHz, ukubwa wa kipengele ~nm, msongamano wa juu wa ujumuishaji.

Elektroniki Inayobadilika (mfano, IGZO TFTs): Uendeshaji wa kHz, ukubwa wa kipengele ~μm, msongamano wa wastani.

Elektroniki Iliyochapishwa: Uendeshaji wa Hz, ukubwa mkubwa wa kipengele, msongamano wa chini.

3. Mashine ya Kujifunza (ML) kwa PFE

Saketi za ML ndizo lengo kuu la PFE, zikiwezesha usindikaji mwenye akili moja kwa moja kwenye au karibu na sensor.

3.1 Usindikaji wa Kwenye Sensor na Karibu na Sensor

Miundo ya ML iliyowekwa kwenye vifaa vya PFE hufanya uchujaji wa awali wa data na uchimbaji wa vipengele kwenye chanzo, na kupunguza sana hitaji la usafirishaji wa data na kuwezesha majibu ya papo hapo katika mazingira yenye vikwazo vya rasilimali.

3.2 Saketi za ML za Analog dhidi ya Dijitali

Utafiti unachunguza utekelezaji wa saketi za dijitali na analog. Kompyuta ya analog, ambayo inaweza kufanya shughuli kama kuzidisha na kujumlisha moja kwa moja katika kikoa cha kimwili (mfano, kwa kutumia Sheria ya Ohm na Sheria ya Kirchhoff), ina matumaini makubwa kwa PFE kutokana na uwezekano wake wa nguvu ya chini na gharama ya eneo, ingawa kwa usahihi wa kubadilishana.

4. Changamoto Muhimu na Juhudi za Utafiti

4.1 Uthabiti na Mavuno

Kutofautiana kwa kifaa, kuzeeka, na mkazo wa mitambo (kupinda, kunyoosha) husababisha changamoto kubwa za uthabiti. Utafiti unalenga muundo wenye uvumilivu wa hitilafu, kurudia, na mbinu mpya za majaribio zilizoundwa kwa viunzi vya msingi vinavyobadilika.

4.2 Kumbukumbu na Msongamano wa Ujumuishaji

Muundo bora wa kumbukumbu ni kikwazo muhimu. Msongamano mdogo wa PFE hufanya kumbukumbu kubwa kwenye chip kuwa isiyowezekana. Suluhisho zinajumuisha vipengele vipya vya kumbukumbu visivyoharibika vinavyolingana na michakato ya kuchapisha na usanifu wa kompyuta karibu na kumbukumbu.

4.3 Uboreshaji wa Tabaka Nyingi

Kushinda vikwazo vya PFE kunahitaji muundo wa pamoja katika safu nzima: kutoka kwa fizikia ya kifaa na muundo wa saketi hadi ukuzaji wa algorithm ya ML na ramani ya matumizi. Mbinu zinajumuisha muundo wa pamoja wa algorithm-na-vifaa, kompyuta ya takriban, na kutumia hali ya takwimu ya ML kuvumilia kasoro za vifaa.

5. Uchambuzi wa Kiufundi na Mfumo

5.1 Maelezo ya Kiufundi na Miundo ya Hisabati

Utendaji wa TFT katika saketi inayobadilika unaweza kuonyeshwa kwa milinganyo ya kawaida ya sasa-na-voltage, lakini kwa vigezo vinavyobadilika na mkazo wa mitambo ($\epsilon$). Kwa mfano, voltage ya kizingiti ($V_{th}$) inaweza kubadilika:

$V_{th}(\epsilon) = V_{th0} + \gamma \cdot \epsilon$

ambapo $V_{th0}$ ni voltage ya kizingiti isiyo na mkazo na $\gamma$ ni mgawo wa piezo. Kutofautiana hii lazima kuzingatiwe katika muundo wa saketi. Zaidi ya hayo, ufanisi wa nishati wa kizidishi cha ML cha analog, shughuli ya msingi, unaweza kuonyeshwa kama nishati kwa kila shughuli ya kuzidisha-na-kujumlisha (MAC), ambayo kwa msalaba wa upinzani rahisi unaotekeleza kuzidisha kwa vekta-na-matriki ni sawia na uendeshaji wa vipengele vilivyochapishwa: $E_{MAC} \propto G^{-1}$.

5.2 Matokeo ya Majaribio na Maelezo ya Chati

Ingawa sehemu ya PDF iliyotolewa haina chati maalum za majaribio, utafiti wa kawaida katika uwanja huu huwasilisha matokeo kama:

  • Kielelezo A: Utendaji wa Saketi dhidi ya Radi ya Kupinda: Chati ya mstari inayoonyesha uharibifu wa mzunguko wa oscillator au faida ya kikuza sauti kwa FlexIC kadiri radi ya kupinda inavyopungua kutoka gorofa (isiyo na mwisho) hadi 5mm. Kupungua kwa kasi mara nyingi huonekana chini ya radi muhimu (mfano, 10mm).
  • Kielelezo B: Usahihi wa Uainishaji dhidi ya Usahihi wa Vifaa: Chati ya baa inayolinganisha usahihi wa CNN iliyochapishwa kwenye seti ya data ya kawaida (kama MNIST au seti ya data ya sensor maalum) wakati wa kutumia usahihi tofauti wa uzito/utendaji (mfano, 8-bit, 4-bit, 2-bit). Inaonyesha uharibifu mzuri wa miundo ya ML na usahihi uliopunguzwa, kiwezeshi muhimu cha PFE.
  • Kielelezo C: Ulinganisho wa Wino wa Kaboni: Chati ya baa iliyokusanywa inayolinganisha uzalishaji wa CO2 sawa katika mzunguko wa maisha ya IC ya silikoni dhidi ya FlexIC kwa lebo rahisi ya sensor, na kuonyesha kupungua kwa kiasi kikubwa katika uzalishaji na uzalishaji wa awamu ya matumizi kwa PFE.

5.3 Mfumo wa Uchambuzi: Mfano wa Utafiti

Kesi: Kutengeneza Sensor ya Unyevu ya Ufungashaji Mwenye Akili na Ugunduzi wa Ukiukaji wa Kwenye Bodi.

  1. Ufafanuzi wa Tatizo: Gundua uharibifu katika ufungashaji wa chakula kwa kutambua muundo usio wa kawaida wa unyevu. Gharama lazima iwe <$0.10 kwa kila kitengo, na kifaa lazima kiwe kinachobadilika na kitupwe.
  2. Ramani ya Vikwazo vya Vifaa:
    • Kompyuta: Tumia mwisho wa mbele wa analog uliochapishwa kwa kuhisi unyevu na saketi rahisi inayobadilika yenye msukumo wa dijitali (safu ya kHz) inayotekeleza muainishaji wa mti wa uamuzi wa 4-bit.
    • Kumbukumbu: Hifadhi vigezo vya mti wa uamuzi wa nodi 10 katika safu ndogo ya kumbukumbu isiyoharibika iliyochapishwa.
    • Matokeo: Pikseli rahisi ya onyesho la electrochromic hubadilisha rangi wakati wa ugunduzi wa ukiukaji.
  3. Uboreshaji wa Tabaka Nyingi:
    • Algorithm ya mti wa uamuzi imechaguliwa kwa sababu ya utata wake mdogo wa kompyuta na ufaao kwa vifaa vya usahihi wa chini.
    • Muainishaji huo hufunzwa kuwa imara dhidi ya tofauti zinazotarajiwa kati ya vifaa (zilizosimuliwa kwa kuongeza kelele ya Gaussian kwa uzito wakati wa mafunzo).
    • Muundo wa saketi umeundwa ili kupunguza viwango vya mkazo wakati wa kupinda.
  4. Tathmini: Utendaji wa mfumo hupimwa kwa usahihi wa ugunduzi, matumizi ya nguvu kwa kila hitimisho, na mavuno baada ya jaribio la kawaida la kupinda.

6. Matumizi ya Baadaye na Mwelekeo

  • Mahitaji ya Kibiolojia na Matibabu: Viunganishi vya neva vya kizazi kijacho vinavyolingana na tishu za ubongo, vifaa vya kufuatilia afya vinavyoweza kuharibika kabisa, na vijiti vya uchunguzi vya gharama nafuu sana, vinavyoweza kutumiwa kwa wingi kwa afya ya kimataifa.
  • IoT Endelevu: "Akili inayotupwa" kwa ajili ya mifumo ya usafirishaji (lebo zenye akili zinazokokotoa wino wao wa kaboni), vibandiko vya sensor vya kilimo, na vifaa vya kufuatilia mazingira vilivyojumuishwa kwenye majengo.
  • Ujumuishaji wa Binadamu na Kompyuta: Ngozi za elektroniki (e-skins) zilizo na kuhisi na usindikaji uliowekwa kwa ajili ya roboti, viungo bandia, na viunganishi vya mguso vya ukweli ulioongezwa.
  • Vekta za Utafiti: Ukuzaji wa semikondukta zinazoweza kuchapishwa zenye uhamaji wa juu zaidi, mbinu za ujumuishaji wa 3D kwa viunzi vya msingi vinavyobadilika, uanzishaji wa kiwango cha zana za muundo na PDKs kwa PFE, na uchunguzi wa usanifu wa kompyuta wa neuromorphic ambao kwa asili huvumilia tofauti za kifaa.

7. Marejeo

  1. Pragmatic Semiconductor. (2023). Ripoti ya Uendelevu. Pragmatic Semiconductor Ltd.
  2. Zervakis, G., et al. (2023). Kompyuta ya Kwenye Kumbukumbu na Transista Zilizochapishwa. IEEE Transactions on Computer-Aided Design of Integrated Circuits and Systems.
  3. Khan, Y., et al. (2020). Elektroniki ya Mseto Inayobadilika: Mapitio. Advanced Materials, 32(15), 1905279.
  4. Njia ya Kimataifa ya Vifaa na Mifumo (IRDS). (2022). IEEE. (Kwa ajili ya vipimo vya kulinganisha vya teknolojia ya silikoni).
  5. Zhu, J., et al. (2017). CycleGAN: Tafsiri ya Picha-hadi-Picha Isiyo na Jozi kwa kutumia Mtandao wa Kupingana Unaolingana na Mzunguko. IEEE International Conference on Computer Vision (ICCV). (Iliyotajwa kama mfano wa muundo wa ML ambao grafu yake ya kompyuta inaweza kurahisishwa na kuwekwa kwenye vifaa vya analog vya PFE kwa ajili ya uhamishaji wa mtindo katika sensor zenye nguvu ya chini).
  6. Taasisi za Utafiti: IMEC (Ubelgiji) kuhusu elektroniki ya mseto inayobadilika, Kikundi cha Bao cha Chuo Kikuu cha Stanford kuhusu polima zinazonyooshwa, Kituo cha Utafiti cha PARC (Palo Alto) kuhusu elektroniki iliyochapishwa.

8. Uchambuzi wa Asili: Uelewa wa Msingi, Mtiririko wa Mantiki, Nguvu na Kasoro, Uelewa Unaoweza Kutekelezwa

Uelewa wa Msingi: Karatasi hii sio tu kuhusu aina mpya ya chip; ni kamari kubwa kwenye mfumo tofauti wa kiuchumi na kimwili wa kompyuta. Wakati tasnia ya silikoni inafuata angstroms na gigahertz kwa ajili ya vituo vya data, PFE huuliza: vipi ikiwa gharama ya kompyuta ingekuwa chini ya ufungashaji ambao imechapishwa na inaweza kupinda kama karatasi? Hii sio mchezo wa utendaji; ni mchezo wa kuunda soko, ukilenga siku zijazo la sensor trilioni ambapo gharama na umbo la kifaa ndizo vikwazo vikuu, sio FLOPS. Mwelekeo wa kuelekea viharakishaji vya ML ni mzuri—hutumia uvumilivu wa makosa ya takwimu ya mitandao ya neva kuficha kutokuwa na uthabiti wa asili ya transista zilizochapishwa, njia ya kujanja inayokumbusha jinsi miundo ya awali ya silikoni ilivyotumia kurudia kukabiliana na kasoro.

Mtiririko wa Mantiki: Hoja hiyo ni ya kulazimisha: 1) Silikoni inagonga ukuta wa gharama na ukakamizi kwa matumizi ya ukingo wa mwisho. 2) PFE inatoa mbadala wa kimsingi wa bei nafuu, endelevu, na unaoweza kubadilika kimwili. 3) Hata hivyo, PFE ni polepole sana na isiyoaminika kulingana na viwango vya silikoni. 4) Kwa hivyo, nafasi pekee inayowezekana ya matumizi ni kazi za msingi sana, za masafa ya chini—ambayo kwa bahati nzuri inalingana kabisa na mahitaji ya usindikaji wa data ya sensor ya msingi na tinyML. 5) Kwa hivyo, jamii ya watafiti lazima kushiriki katika muundo wa pamoja wa tabaka nyingi ili kukamua mifumo ya kazi kutoka kwa kiunzi hiki kilicho na vikwazo. Ni hadithi ya ubunifu ya kawaida ya "kukumbatia vikwazo vyako".

Nguvu na Kasoro: Nguvu ya karatasi hii ni tathmini yake ya wazi ya vikwazo vikali vya PFE, ikivielezea sio kama mwisho wa njia bali kama vikwazo vya muundo. Inatambua kwa usahihi uboreshaji wa tabaka nyingi kama njia pekee ya mbele, ikisonga zaidi ya fizikia ya kifaa tu. Hata hivyo, uchambuzi huo una furaha fulani kuhusu changamoto kubwa ya programu na zana. Kutengeneza kwa ajili ya PFE sio tu shida ya vifaa; inahitaji kufikiria upya kamili ya safu ya muundo, kutoka kwa algorithm hadi zana za EDA. "TensorFlow Lite kwa Mtandao Uliochapishwa" iko wapi? Ulinganisho na mageuzi ya silikoni pia haujakamilika. Mafanikio ya silikoni yalijengwa juu ya uanzishaji wa kiwango na kuongezeka kwa kutabirika (Sheria ya Moore). PFE haina kanuni inayoongoza sawa; ukuzaji wake unafanana zaidi na sayansi ya nyenzo, ambayo inaendelea kwa njia isiyo ya kawaida zaidi. Zaidi ya hayo, ingawa uendelevu unasisitizwa, uchambuzi kamili wa mzunguko wa maisha wa nyenzo mpya (kama IGZO) na uwezo wao wa kuchakatwa tena mwishoni ni kipande muhimu kinachokosekana.

Uelewa Unaoweza Kutekelezwa: Kwa wawekezaji, fursa iko sio katika kushindana na silikoni, bali katika kuwezesha masoko ambayo silikoni haiwezi kugusa. Lenga makampuni kama Pragmatic ambayo yanajenga miundombinu ya kiwango cha foundry kwa FlexICs. Kwa watafiti, matunda yanayopatikana kwa urahisi yako katika muundo wa pamoja wa algorithm-na-vifaa. Usipitishe tu CNN; buni miundo mipya ya ML inayotokana na fizikia ya saketi za analog zilizochapishwa, kama vile kompyuta ya neuromorphic inavyotokana na biolojia. Shirikiana na wanasayansi wa nyenzo—uvumbuzi unaofuata unaweza kuwa semikondukta inayoweza kuchapishwa yenye uhamaji bora zaidi kwa kiwango cha mara kumi. Kwa wasimamizi wa bidhaa, anza kutengeneza mfano wa kwanza sasa hivi kwa uwezo ulio na vikwazo vya PFE ya leo kwa mashine rahisi za hali au muainishaji wa binary katika mifumo ya usafirishaji au ufungashaji. Tumia hizi kujenga uelewa wa soko wakati teknolojia inakomaa. Mbio sio kufanya PFE iwe haraka zaidi; ni kugundua na kutawala matumizi ambapo kompyuta "inayotosha", kwa sehemu ndogo ya gharama na athari ya kimazingira, ni faida ya mapinduzi.