Los microchips especializados que gestionan las señales en la vanguardia de la tecnología inalámbrica son asombrosas obras de miniaturización e ingeniería. También son difíciles y caros de diseñar.

Ahora, investigadores de Princeton Engineering y del Instituto Indio de Tecnología han recurrido a la inteligencia artificial para dar un paso clave en la reducción del tiempo y el coste de diseño de nuevos chips inalámbricos y descubrir nuevas funcionalidades que satisfagan la creciente demanda de mayor velocidad y rendimiento inalámbricos. En un artículo publicado el 30 de diciembre en Nature Communications, los investigadores describen su metodología, en la que una IA crea complicadas estructuras electromagnéticas y circuitos asociados en microchips basándose en los parámetros de diseño. Lo que antes llevaba semanas de trabajo altamente cualificado ahora se puede lograr en horas.

 

Y lo que es más, la IA que hay detrás del nuevo sistema ha producido nuevos y extraños diseños con patrones inusuales de circuitos. Kaushik Sengupta, investigador principal, afirma que los diseños no son intuitivos y que es improbable que los desarrolle una mente humana. Pero a menudo ofrecen notables mejoras respecto a los mejores chips estándar.

 

"Estamos dando con estructuras complejas y de aspecto aleatorio que, cuando se conectan con circuitos, crean prestaciones antes inalcanzables. Los humanos no podemos entenderlas, pero pueden funcionar mejor", explica Sengupta, catedrático de Ingeniería Eléctrica e Informática y codirector de NextG, el programa de colaboración industrial de Princeton para desarrollar comunicaciones de nueva generación.

 

Estos circuitos pueden diseñarse para que consuman menos energía o para que funcionen en una enorme gama de frecuencias que actualmente no es posible. Además, el método sintetiza estructuras intrínsecamente complejas en cuestión de minutos, mientras que los algoritmos convencionales pueden tardar semanas. En algunos casos, la nueva metodología puede crear estructuras imposibles de sintetizar con las técnicas actuales.

 

Uday Khankhoje, coautor y profesor asociado de Ingeniería Eléctrica en el IIT de Madrás, afirmó que la nueva técnica no sólo ofrece eficiencia, sino que promete desbloquear nuevos enfoques a retos de diseño que han estado más allá de la capacidad de los ingenieros.

 

"Este trabajo presenta una convincente visión del futuro", afirma. "La IA no sólo acelera las laboriosas simulaciones electromagnéticas, sino que permite explorar un espacio de diseño hasta ahora inexplorado y crear dispositivos de alto rendimiento que van en contra de las reglas generales y la intuición humana".

 

Los chips inalámbricos son una combinación de circuitos electrónicos estándar como los de los chips informáticos y estructuras electromagnéticas como antenas, resonadores, divisores de señal, combinadores y otros. Estas combinaciones de elementos se juntan en cada bloque del circuito, se elaboran cuidadosamente a mano y se codiseñan para que funcionen de forma óptima.  Este método se aplica después a otros circuitos, subsistemas y sistemas, lo que hace que el proceso de diseño sea extremadamente complejo y lleve mucho tiempo, sobre todo en el caso de los chips modernos de alto rendimiento que están detrás de aplicaciones como la comunicación inalámbrica, la conducción autónoma, el radar y el reconocimiento de gestos.

 

"Los diseños clásicos, cuidadosamente, juntan estos circuitos y elementos electromagnéticos, pieza a pieza, para que la señal fluya de la forma que queremos que fluya en el chip. Al cambiar esas estructuras, incorporamos nuevas propiedades", explica Sengupta. "Antes teníamos una forma finita de hacerlo, pero ahora las opciones son mucho mayores".

 

Puede resultar difícil comprender la inmensidad del espacio de diseño de un chip inalámbrico. Los circuitos de un chip avanzado son tan pequeños y su geometría tan detallada que el número de configuraciones posibles supera el de átomos del universo, explica Sengupta. No hay forma de que una persona entienda ese nivel de complejidad, así que los diseñadores humanos no lo intentan. Construyen chips de abajo arriba, añadiendo componentes cuando es necesario y ajustando el diseño a medida que construyen.

 

La IA aborda el reto desde una perspectiva distinta, explica Sengupta. Considera el chip como un artefacto único. Esto puede dar lugar a arreglos extraños, pero eficaces. Según Sengupta, los humanos desempeñan un papel fundamental en el sistema de IA, en parte porque la IA puede hacer tanto arreglos defectuosos como arreglos eficaces. Es posible que la IA alucine con elementos que no funcionan, al menos por ahora. Esto requiere cierto nivel de supervisión humana.

 

"Hay escollos que siguen necesitando diseñadores humanos para ser corregidos", afirma Sengupta. "No se trata de sustituir a los diseñadores humanos por herramientas. Se trata de aumentar la productividad con nuevas herramientas. La mente humana se utiliza mejor para crear o inventar cosas nuevas, y el trabajo más mundano y utilitario puede descargarse en estas herramientas".

 

Los investigadores han utilizado la IA para descubrir y diseñar estructuras electromagnéticas complejas que se codiseñan con circuitos para crear amplificadores de banda ancha. Según Sengupta, las investigaciones futuras consistirán en unir varias estructuras y diseñar chips inalámbricos completos con el sistema de IA.

 

"Ahora que esto ha demostrado ser prometedor, hay un esfuerzo mayor para pensar en sistemas y diseños más complicados", dijo. "Esto es sólo la punta del iceberg en cuanto a lo que el futuro depara a este campo".

 

Fuente e imagen: https://engineering.princeton.edu/

 

 

 

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