Wyspecjalizowane mikrochipy zarządzające sygnałami w najnowocześniejszej technologii bezprzewodowej to zdumiewające dzieła miniaturyzacji i inżynierii. Ich zaprojektowanie jest również trudne i kosztowne.
Teraz naukowcy z Princeton Engineering i Indyjskiego Instytutu Technologii wykorzystali sztuczną inteligencję, aby wykonać kluczowy krok w kierunku skrócenia czasu i kosztów projektowania nowych układów bezprzewodowych oraz odkrycia nowych funkcjonalności, aby sprostać rosnącym wymaganiom w zakresie lepszej szybkości i wydajności sieci bezprzewodowej. W artykule opublikowanym 30 grudnia w Nature Communications badacze opisują swoją metodologię, zgodnie z którą sztuczna inteligencja tworzy skomplikowane struktury elektromagnetyczne i powiązane obwody w mikrochipach w oparciu o parametry projektowe. To, co kiedyś wymagało tygodni pracy wymagającej wysokich kwalifikacji, teraz można wykonać w ciągu kilku godzin.
Co więcej, sztuczna inteligencja stojąca za nowym systemem stworzyła dziwne nowe projekty z nietypowymi wzorami obwodów. Kaushik Sengupta, główny badacz, powiedział, że projekty są nieintuicyjne i mało prawdopodobne, aby ludzki umysł stworzył je. Często jednak oferują one wyraźne ulepszenia w porównaniu nawet z najlepszymi standardowymi chipami.
„Tworzymy struktury, które są złożone i wyglądają na losowo ukształtowane, a po połączeniu z obwodami zapewniają wydajność nieosiągalną wcześniej. Ludzie tak naprawdę nie są w stanie ich zrozumieć, ale mogą pracować lepiej” – powiedział Sengupta, profesor inżynierii elektrycznej i komputerowej oraz współdyrektor NextG, branżowego programu partnerstwa Princeton mającego na celu rozwój komunikacji nowej generacji.
Obwody te można zaprojektować w taki sposób, aby działały bardziej energooszczędnie lub umożliwiały pracę w ogromnym zakresie częstotliwości, co nie jest obecnie możliwe. Co więcej, metoda ta syntetyzuje z natury złożone struktury w ciągu kilku minut, podczas gdy konwencjonalne algorytmy mogą zająć tygodnie. W niektórych przypadkach nowa metodologia może stworzyć struktury, których nie da się zsyntetyzować przy użyciu obecnych technik.
Uday Khankhoje, współautor i profesor nadzwyczajny inżynierii elektrycznej w IIT Madras, powiedział, że nowa technika nie tylko zapewnia wydajność, ale obiecuje odblokować nowe podejście do wyzwań projektowych, które przekraczały możliwości inżynierów.
„Ta praca przedstawia fascynującą wizję przyszłości” – powiedział. „Sztuczna inteligencja nie tylko przyspiesza czasochłonne symulacje elektromagnetyczne, ale także umożliwia eksplorację niezbadanej dotychczas przestrzeni projektowej i dostarcza oszałamiające urządzenia o wysokiej wydajności, które są sprzeczne ze zwykłymi zasadami i ludzką intuicją”.
Chipy bezprzewodowe to połączenie standardowych obwodów elektronicznych, takich jak te w chipach komputerowych, i struktur elektromagnetycznych, w tym anten, rezonatorów, rozdzielaczy sygnału, sumatorów i innych. Te kombinacje elementów są połączone w każdym bloku obwodów, starannie wykonane ręcznie i wspólnie zaprojektowane tak, aby działały optymalnie. Metodę tę następnie skaluje się do innych obwodów, podsystemów i systemów, co sprawia, że proces projektowania jest niezwykle złożony i czasochłonny, szczególnie w przypadku nowoczesnych, wysokowydajnych chipów wykorzystywanych w zastosowaniach takich jak komunikacja bezprzewodowa, autonomiczna jazda, radar i rozpoznawanie gestów.
„W klasycznych projektach obwody i elementy elektromagnetyczne są starannie łączone, kawałek po kawałku, tak aby sygnał płynął w chipie w taki sposób, w jaki chcemy. Zmieniając te struktury, wprowadzamy nowe właściwości” – powiedział Sengupta. „Wcześniej mieliśmy na to ograniczony sposób, ale teraz możliwości są znacznie większe”.
Zrozumienie ogromu przestrzeni projektowej chipa bezprzewodowego może być trudne. Obwody w zaawansowanym chipie są tak małe, a geometria tak szczegółowa, że liczba możliwych konfiguracji chipa przekracza liczbę atomów we wszechświecie, powiedział Sengupta. Człowiek nie jest w stanie zrozumieć tego poziomu złożoności, więc ludzcy projektanci nie próbują. Budują chipy od dołu do góry, dodając komponenty w razie potrzeby i dostosowując projekt w trakcie budowy.
Sengupta powiedział, że sztuczna inteligencja podchodzi do wyzwania z innej perspektywy. Traktuje chip jako pojedynczy artefakt. Może to prowadzić do dziwnych, ale skutecznych ustaleń. Powiedział, że ludzie odgrywają kluczową rolę w systemie sztucznej inteligencji, po części dlatego, że sztuczna inteligencja może dokonywać błędnych i skutecznych ustaleń. Sztuczna inteligencja może mieć halucynacje w elementach, które nie działają, przynajmniej na razie. Wymaga to pewnego poziomu nadzoru ze strony człowieka.
„Istnieją pułapki, które nadal wymagają skorygowania przez ludzkich projektantów” – powiedział Sengupta. „Nie chodzi o to, aby zastąpić ludzkich projektantów narzędziami. Chodzi o to, aby zwiększyć produktywność za pomocą nowych narzędzi. Ludzki umysł najlepiej wykorzystuje się do tworzenia lub wymyślania nowych rzeczy, a bardziej przyziemne, utylitarne prace można przenieść na te narzędzia”.
Naukowcy wykorzystali sztuczną inteligencję do odkrycia i zaprojektowania złożonych struktur elektromagnetycznych, które są wspólnie projektowane z obwodami w celu stworzenia wzmacniaczy szerokopasmowych. Sengupta powiedział, że przyszłe badania będą obejmować łączenie wielu struktur i projektowanie całych chipów bezprzewodowych z systemem sztucznej inteligencji.
„Teraz, gdy okazało się to obiecujące, włożono większy wysiłek w myślenie o bardziej skomplikowanych systemach i projektach” – powiedział. „To dopiero wierzchołek góry lodowej, jeśli chodzi o przyszłość tej dziedziny”.