Apresentando o SPAIC: Um Chip Front-End Analógico Eficiente

Frentes analógicas de baixo consumo baseadas em eventos (AFE) são super importantes pra criar sistemas eficientes em computação de borda. Esses sistemas processam dados sensoriais em tempo real, permitindo que os dispositivos trabalhem mais rápido e consumam menos energia. Embora existam várias chips neuromórficos pra redes neurais com disparos (SNNs), só tem alguns dispositivos de frente analógica que conseguem transformar sinais analógicos em sinais de disparo e se conectar efetivamente a processadores neuromórficos.

#O que é o SPAIC?

Nesse contexto, apresentamos o SPAIC, um chip de frente analógica adaptável. SPAIC significa "conversor de sinal para disparo para computação analógica AI." Ele oferece uma forma de converter sinais analógicos em sinais de disparo usando dois métodos diferentes: modulação delta e modulação de frequência de pulso. Esse chip foi desenvolvido pra trabalhar com uma ampla gama de frequências de sinal e foi feito pra se encaixar em uma tecnologia de 180 nm.

A principal característica do SPAIC é sua capacidade de codificar vários sinais em uma ampla faixa de frequência, enquanto produz uma saída que é compatível com sistemas existentes que utilizam processadores neuromórficos. Testes iniciais do SPAIC mostraram resultados promissores, confirmando que suas funções básicas operam como esperado.

#Por que é importante?

Redes Neurais com Disparos (SNNs) representam uma nova maneira de processar dados que é eficiente em termos de energia. Essas redes conseguem lidar com fluxos de dados contínuos, tornando-as adequadas para tarefas de computação de borda onde velocidade e baixo consumo de energia são críticos. Contudo, pra tirar o máximo desse tipo de tecnologia, é essencial ter frentes analógicas eficazes feitas pra isso.

A capacidade de converter sinais analógicos em disparos é vital porque permite que o sistema reaja rapidamente a mudanças no ambiente. Isso é parecido com como sistemas biológicos processam entradas sensoriais.

#Como o SPAIC Funciona

A arquitetura do SPAIC consiste em 16 canais idênticos, todos conectados a uma interface comum que usa a Representação de Eventos de Endereço (AER). Cada canal tem quatro partes principais:

1. Amplificador de Baixo Ruído (LNA): Esse componente amplifica sinais fracos pra garantir que eles possam ser processados de forma eficaz. Ele consegue ajustar seu ganho de 0 a 24 dB.

2. Filtro Passa-Banda com Seguidor de Tensão Invertido (FVF BPF): Esse filtro refina o sinal amplificado e o torna adequado pra processamento adicional. Ele pode ser ajustado pra diferentes frequências.

3. Estágio de Ganho Programável (PGA): Depois da filtragem, esse estágio pode amplificar ainda mais o sinal, com um ganho que também pode ser ajustado até 24 dB.

4. Estágio de Codificação: O estágio final codifica o sinal processado em spikes modulados por delta ou spikes modulados por frequência de pulso, dependendo da operação que está sendo realizada.

#Recursos Configuráveis

O SPAIC permite várias configurações pra atender diferentes necessidades de aplicação. Essa flexibilidade é alcançada através de um gerador de polarização que define as correntes necessárias pros circuitos, um Conversor Digital para Analógico (CDAC), e um DAC de tensão que ajusta os limiares pra modulação delta.

Esses ajustes podem ser feitos através de um protocolo de comunicação chamado Interface Serial de Periféricos (SPI), facilitando a configuração do chip pra várias tarefas.

#Implementação do Circuito

O chip SPAIC foi fabricado em um processo tecnológico de 180 nm, dando-lhe um tamanho compacto de 2.5 mm por 2.5 mm. Os componentes dentro do chip foram projetados pra modularidade, com o LNA e o PGA construídos na mesma estrutura principal, permitindo melhor desempenho de ruído e eficiência energética.

#Amplificadores de Baixo Ruído

Os amplificadores de baixo ruído (LNA) são cruciais pra garantir que sinais fracos possam ser amplificados adequadamente. Eles usam um design bem conhecido que pode lidar com mudanças significativas de entrada, acomodando diferentes saídas de sensores. As configurações de ganho podem ser ajustadas finamente pra otimizar o desempenho.

#Filtro Passa-Banda com Seguidor de Tensão Invertido

Cada canal do SPAIC inclui um filtro passa-banda de quarta ordem usando um design de seguidor de tensão invertido. Essa estrutura permite melhor gerenciamento de ruído e ajustabilidade das configurações de frequência. Usando capacitores que podem ser programados, o filtro pode ser ajustado com precisão pra várias respostas de frequência, o que é essencial pra diferentes aplicações.

#Técnicas de Codificação

O SPAIC utiliza dois métodos de codificação diferentes:

1. Modulação Delta Assíncrona (ADM): Esse método gera spikes com base se o sinal amplificado ultrapassa limiares de tensão específicos. Quando o sinal supera o limiar superior, ele produz um spike "UP", e quando cai abaixo do limiar inferior, ocorre um spike "DOWN". Histerese é adicionada pra evitar spikes falsos causados por ruído.

2. Modulação de Frequência de Pulso (PFM): Nesse método, uma corrente de entrada é convertida em uma frequência de disparo. O sinal de entrada é modificado primeiro, e depois entra em um circuito neural que gera um disparo ao atingir um certo limiar.

#Validação de Desempenho

Pra testar sua funcionalidade, os pesquisadores construíram uma placa customizada pra se comunicar com o SPAIC através de um microcontrolador. Essa configuração permitiu a avaliação dos caminhos de codificação de forma independente.

Durante os testes, a resposta de frequência dos amplificadores e medições de ruído foram registradas, mostrando que o sistema reduziu efetivamente o ruído, especialmente na faixa de baixa frequência. Por exemplo, uma medição revelou um ruído de referência de entrada de 1.4 µV pra a saída do primeiro LNA.

O filtro passa-banda também foi testado, mostrando uma ampla resposta de frequência com múltiplas configurações disponíveis. O SPAIC provou que consegue lidar com várias frequências, cobrindo com sucesso uma faixa de 100 Hz a 100 kHz.

#Conclusão

O chip SPAIC representa um avanço significativo na tecnologia de frente analógica, especificamente projetado pra aplicações envolvendo redes neurais com disparos. Suas capacidades de codificação em modo duplo permitem maior flexibilidade no processamento de vários tipos de sinais.

Comparado a outros dispositivos semelhantes, o SPAIC oferece desempenho competitivo, especialmente em termos de faixa dinâmica e características de ruído. Ele serve como um componente crucial pra construir sistemas de aquisição de dados eficientes voltados pra tarefas de computação de borda.

Pesquisas futuras vão focar em aplicar o SPAIC a aplicações específicas, avaliando seu desempenho em uma variedade de configurações e determinando seu consumo de energia pra diferentes casos de uso. Avançando essa tecnologia, podemos melhorar as capacidades de processamento em tempo real e contribuir pra o desenvolvimento de sistemas mais inteligentes e responsivos.