هوش مصنوعی: کاهش هزینه و زمان طراحی تراشه، و بیشتر!

پیشرفت‌های جدید در طراحی میکروچیپ‌های بی‌سیم با استفاده از هوش مصنوعی

میکروچیپ‌های تخصصی که سیگنال‌ها را در مرزهای فناوری بی‌سیم مدیریت می‌کنند، نمونه‌های شگفت‌انگیزی از مینیاتوریزاسیون و مهندسی هستند. طراحی این میکروچیپ‌ها هم دشوار و هم پرهزینه است. اکنون، محققان دانشگاه پرینستون و مؤسسه فناوری هند با استفاده از هوش مصنوعی، گام مهمی در کاهش زمان و هزینه طراحی میکروچیپ‌های جدید بی‌سیم و کشف قابلیت‌های جدید برای پاسخگویی به تقاضاهای روزافزون برای سرعت و عملکرد بهتر بی‌سیم برداشته‌اند.

در مقاله‌ای که در تاریخ 30 دسامبر در نشریه Nature Communications منتشر شده، محققان روش‌شناسی خود را توضیح می‌دهند که در آن هوش مصنوعی ساختارهای الکترومغناطیسی پیچیده و مدارهای مرتبط در میکروچیپ‌ها را بر اساس پارامترهای طراحی ایجاد می‌کند. آنچه قبلاً هفته‌ها کار ماهرانه نیاز داشت، اکنون می‌تواند در عرض چند ساعت انجام شود. جالب‌تر اینکه، هوش مصنوعی پشت این سیستم جدید، طراحی‌های عجیبی با الگوهای غیرمعمول مدار تولید کرده است.

کاشیک سنگوپتا، محقق اصلی، گفت که این طراحی‌ها غیرقابل پیش‌بینی هستند و احتمالاً توسط ذهن انسان توسعه نمی‌یابند. اما این طراحی‌ها اغلب بهبودهای قابل توجهی نسبت به بهترین میکروچیپ‌های استاندارد ارائه می‌دهند. او گفت: “ما به ساختارهایی می‌رسیم که پیچیده و به نظر تصادفی می‌آیند و وقتی با مدارها متصل می‌شوند، عملکردی را ایجاد می‌کنند که قبلاً غیرقابل دستیابی بود. انسان‌ها واقعاً نمی‌توانند آنها را درک کنند، اما می‌توانند بهتر عمل کنند.”

سنگوپتا، استاد مهندسی برق و کامپیوتر و همکار مدیر برنامه NextG در دانشگاه پرینستون، افزود: “این مدارها می‌توانند به سمت عملکردی با کارایی انرژی بیشتر مهندسی شوند یا به گونه‌ای طراحی شوند که در یک دامنه فرکانسی وسیع که در حال حاضر ممکن نیست، قابل استفاده باشند.” علاوه بر این، این روش ساختارهای ذاتی پیچیده را در عرض چند دقیقه سنتز می‌کند، در حالی که الگوریتم‌های متداول ممکن است هفته‌ها زمان ببرند. در برخی موارد، روش جدید می‌تواند ساختارهایی ایجاد کند که با تکنیک‌های فعلی غیرقابل سنتز هستند.

اودای خانخوژه، یکی از نویسندگان و استاد مهندسی برق در IIT مادراس، گفت که این تکنیک نه تنها کارایی را بهبود می‌بخشد، بلکه وعده می‌دهد که رویکردهای جدیدی برای چالش‌های طراحی که فراتر از توانایی مهندسان بوده، باز کند. او گفت: “این کار تصویری جذاب از آینده را ارائه می‌دهد. هوش مصنوعی نه تنها شتاب‌بخش شبیه‌سازی‌های الکترومغناطیسی زمان‌بر است، بلکه امکان کاوش در فضایی طراحی که تاکنون ناشناخته بوده را فراهم می‌کند و دستگاه‌های با عملکرد بالا و شگفت‌انگیزی را ارائه می‌دهد که با قوانین معمول و شهود انسانی در تضاد است.”

میکروچیپ‌های بی‌سیم ترکیبی از مدارهای الکترونیکی استاندارد مانند مدارهای موجود در میکروچیپ‌های کامپیوتری و ساختارهای الکترومغناطیسی شامل آنتن‌ها، رزوناتورها، تقسیم‌کننده‌های سیگنال، ترکیب‌کننده‌ها و دیگر اجزا هستند.

ترکیب عناصر در طراحی مدارهای پیشرفته

این ترکیبات عناصر در هر بلوک مدار به دقت طراحی و دست‌ساز شده‌اند تا به بهترین نحو عمل کنند. این روش سپس به سایر مدارها، زیرسیستم‌ها و سیستم‌ها گسترش می‌یابد که باعث می‌شود فرآیند طراحی بسیار پیچیده و زمان‌بر باشد، به‌ویژه برای چیپ‌های مدرن و با عملکرد بالا که پشت کاربردهایی مانند ارتباطات بی‌سیم، رانندگی خودکار، رادار و شناسایی حرکات قرار دارند.

سنگوپتا گفت: “طراحی‌های کلاسیک به‌دقت این مدارها و عناصر الکترومغناطیسی را قطعه به قطعه کنار هم قرار می‌دهند تا سیگنال به‌گونه‌ای که می‌خواهیم در چیپ جریان یابد، حرکت کند. با تغییر این ساختارها، ویژگی‌های جدیدی را وارد می‌کنیم.” او افزود: “قبلاً ما یک روش محدود برای انجام این کار داشتیم، اما اکنون گزینه‌ها بسیار بیشتر شده‌اند.”

درک وسعت فضای طراحی یک چیپ بی‌سیم می‌تواند دشوار باشد. سنگوپتا گفت: “مدار در یک چیپ پیشرفته آنقدر کوچک است و هندسه آن آنقدر دقیق است که تعداد پیکربندی‌های ممکن برای یک چیپ از تعداد اتم‌های موجود در جهان بیشتر است.” هیچ راهی وجود ندارد که یک فرد بتواند آن سطح از پیچیدگی را درک کند، بنابراین طراحان انسانی سعی نمی‌کنند. آن‌ها چیپ‌ها را از پایین به بالا می‌سازند، اجزا را به‌طور نیاز اضافه کرده و طراحی را در حین ساخت تنظیم می‌کنند.

به گفته سنگوپتا، هوش مصنوعی این چالش را از دیدگاه متفاوتی بررسی می‌کند. این سیستم چیپ را به‌عنوان یک اثر واحد می‌بیند و می‌تواند منجر به آرایش‌های عجیب اما مؤثر شود. او گفت: “انسان‌ها نقش حیاتی در سیستم هوش مصنوعی ایفا می‌کنند، بخشی از این به این دلیل است که آن هوش مصنوعی می‌تواند آرایش‌های نادرست و همچنین مؤثر ایجاد کند. در حال حاضر، ممکن است هوش مصنوعی عناصری را تصور کند که کار نمی‌کنند.” این نیاز به نظارت انسانی دارد.

سنگوپتا گفت: “چالش‌هایی وجود دارد که هنوز نیاز به اصلاح توسط طراحان انسانی دارند. هدف این نیست که طراحان انسانی را با ابزارها جایگزین کنیم. هدف افزایش بهره‌وری با ابزارهای جدید است. ذهن انسان بهترین استفاده را برای خلق یا اختراع چیزهای جدید دارد و کارهای روزمره و کاربردی‌تر می‌تواند به این ابزارها واگذار شود.”

محققان از هوش مصنوعی برای کشف و طراحی ساختارهای الکترومغناطیسی پیچیده استفاده کرده‌اند که به‌طور مشترک با مدارها طراحی شده‌اند تا تقویت‌کننده‌های باند پهن ایجاد کنند. سنگوپتا گفت: “تحقیقات آینده شامل پیوند چندین ساختار و طراحی کل چیپ‌های بی‌سیم با سیستم هوش مصنوعی خواهد بود.” او افزود: “اکنون که این روش نشان‌دهنده امیدواری است، تلاش بیشتری برای فکر کردن به سیستم‌ها و طراحی‌های پیچیده‌تر وجود دارد. این تنها نوک کوه یخ است که آینده این حوزه را نشان می‌دهد.”