De pakker audioalgoritmer ned i specialdesignede chip til bittesmå høreapparater

Får du brug for et høreapparat om fem eller ti år, vil det formentlig være spækket med funktioner og services, som ikke findes i dag.

Selvom regnekraften i nye små processorer ikke længere automatisk fordobles med få års mellemrum, så har danske chipdesignere hos WS Audiology nemlig en række teknologier og metoder i ærmet til at presse de små processorer til at yde endnu mere, uden at strømforbruget stikker af.

I dag er den største begrænsning og tekniske udfordring ved at implementere beregningstunge audio­logiske algoritmer og algoritmer baseret på kunstig intelligens at få dem afviklet på en mikroprocessor, der ikke fylder mere end en halv fingernegl, og som skal kunne holde strøm i mindst 24 timer.

Derfor kommer alle nye funktioner og services forbi global head of IC development Ketil Julsgaard og hans team på omkring 30 analoge og digitale chipdesignere, før de kan sættes i produktion.

Og høreapparatudviklerne kan lave en nok så god funktion – hvis den ikke kan klemmes ned på hardwareplatformen uden at sluge for meget strøm, bliver den ikke realiseret.

»Vi vurderer hele tiden, hvad forskellige nye funktioner koster i strømforbrug,« siger Ketil Julsgaard.

Op til engang i midten af 00’erne havde høreapparatproducenter som WS Audiology stor fordel af en sideeffekt af Moores Lov.

Den historiske forudsigelse, som chipproducenten Intels grundlægger, Gordon Moore, kom med i 1964, er mest kendt for, at ‘antallet af transistorer i et integreret kredsløb vil fordobles med omkring 18 måneders mellemrum’.

Men en anden, ofte lidt overset, effekt er, at strømforbruget er ret konstant per kvadratmillimeter, selvom antallet af transistorer vokser.

Når man skrumper et kredsløb til det halve areal, kan man skrue op for frekvensen, uden at strømforbruget stiger. Den sideeffekt kaldes Dennardskalering og har tjent høreapparatindustrien godt i mange år.

Strømforbruget stiger

Men i dag er strømforbruget til at afvikle store tunge AI-algoritmer stigende i stedet for faldende.

»Vi kan ikke længere forvente at få betydelig ekstra regnekraft med et lavere strømforbrug. Men der er stadig plads til væsentlige teknologiske forbedringer,« siger Ketil Julsgaard.

De mikrochip, der afvikler digital signalprocessering og analoge processer, f.eks. batteristyring, kan eksempelvis pakkes langt mere effektivt.

Ketil Julsgaard har derfor også et øje på den udvikling, der sker i det brede massemarked for mikrochip, hvor brugen af chiplets vinder frem.

Historisk er de fleste mikrochip bygget op med samme ­teknologi, hvilket betyder, at alle signaler passerer de samme transistorer i kernen af en chip.

Ved at splitte chippen op i mindre dele, også kaldet chiplets, undgår man flaskehalse og øger effektiviteten.

Det mest kendte eksempel på chiplets er ­Apples M1 Ultra-chip, der har svimlende 114 milliarder transistorer fordelt på to selvstændige chips, forbundet med en mikroskopisk siliciumbro med 10.000 mikroskopiske ledninger.

Et godt eksempel på, hvordan en processor ikke længere håndterer alle opgaver, er WS Audiologys Signia Augmented Xperience-platform (AX), hvor den digitale signalprocessering er splittet op i to logiske processorer – den ene behandler lyde i fokus, eksempelvis samtalepartnerens stemme og din egen stemme, den anden tager sig af omgivelserne.

»Vi kan ikke længere automatisk hente ekstra regnekraft fra Moores Lov, og derfor kigger vi på andre teknologier, f.eks. hvordan vi kan pakke chip bedre, og bruge flere selvstændige chip i et system, siger Ketil Julsgaard.

Den udvikling peger også mod mere specialiserede processorer, som er særlig udviklet til at løse bestemte opgaver. Derfor vil behovet for ingeniører med viden om chipdesign og hardwarearkitektur stige de kommende år.

Efterlyser mere uddannelse

Selvom danske virksomheder hvert år køber millioner af mikrochip, arbejder i Danmark kun omkring 300 mennesker med design af analoge og digitale chip.

Hovedparten arbejder hos en af de tre store danske høreapparatproducenter – Oticon, WS Audiology eller GN – hvor man har holdt fast i selvstændige hardwareplatforme, mens de fleste andre danske virksomheder har sendt design, udvikling og produktion af mikrochip til Taiwan, Sydkorea og USA.

Den udvikling har smittet af på de tekniske universiteter, hvor det i dag er meget begrænset, hvad der udbydes af uddannelse og forskning i chipdesign og -produktion. Udviklingen mod flere specialdesignede mikrochip, som vi kender fra høreapparatindustrien, betyder at der er brug for flere chipdesignere.

»Vi mødtes første gang uformelt i hørepparatindustrien for et par år siden, fordi vi syntes, DTU havde mistet fokus på chipudvikling. Siden er samarbejdet formaliseret og flere virksomheder kommet med, f.eks. virksomheder, der udvikler netværksswitches, og FPGA-udviklere,« siger Ketil Julsgaard.

De studerende har også vist interesse.

For et lille år siden blev der afholdt en såkaldt chipdag på DTU, hvor 150 studerende mødte op for at lære mere om chipdesign.

Universitetet har også rykket sig, og det er ikke længe siden, at DTU har fået godkendt en ny bacheloruddannelse i Computer Engineering, hvor principperne bag alt fra analoge kredsløb til de nyeste chipteknologier er på skoleskemaet.

Lettere adgang til dyr software

Der er dog stadig et par bump på vejen mod at få uddannet flere danske chipdesignere.

Hvis man gerne vil prøve at lege med kunstig intelligens og selvlærende algoritmer, kan man med få klik på internettet hente open source-værktøjer og databaser, eksempelvis Google Tensorflow. Sådan er det ikke med software til chipudvikling, der som udgangspunkt kræver dyre licenser, mens open source-versioner ofte kun understøtter forældede teknologinoder.

Samtidig er det tæt på umuligt at få fremstillet fysiske udgaver af mikrochip, medmindre man er klar til at få produceret i stor volumen.

»Chipproduktion handler om skalering. Man skal op i en vis volumen, før man kan starte en produktion, og du skal være helt sikker på, at alle fejl er elimineret, før du starter produktionen,« siger Ketil Julsgaard.

Der er dog tegn på opbrud.

Google har sammen med Efabless og den amerikanske chipproducent Skywater frigivet en open source-­udgave af det nødvendige process design kit (PDK).

Sidste år brugte 12 studerende et kursus på at designe og udvikle en tidsforudsigelig multiprocessorplatform kendt som Patmos. Den er produceret på Google/Skywaters open source-platform.

DTU-chippen er dog baseret på ældre teknologinoder som 130 nm og 180 nm, mens de mest avancerede i dag fremstilles på 3,5 nm.

EU har afsat 90 millioner danske kroner til at frikøbe licenser til nogle af de mest anvendte typer software til chipdesign, f.eks. Cadence og Synopsys.

I Taiwan er TSMC, verdens største chipproducent, klar til at åbne for deres hidtidige hemmelige FinFET-teknologi til 16 nm og 7 nm for universiteter.

Om nogle år får DTU-forskere og studerende også nye fysiske muligheder for at teste nye design af i et nyt renrum på DTU Nanolab udviklet til mikroelektronik.

I dag er universitetets 1.300 kvadratmeter overbooket af både forskere og virksomheder, og derfor kommer det nye 700 kvadratmeter renrum som en tiltrængt udvidelse, når det står færdigt i 2026, hvis alt går efter planen.