The Challenges and Emerging Technologies for Low-Power Artificial Intelligence IoT Systems

计算机科学 高效能源利用 事件(粒子物理) 能量收集 异步通信 嵌入式系统 水准点(测量) 功率(物理) 电气工程 工程类 电信 大地测量学 量子力学 物理 地理
作者
Le Ye,Zhixuan Wang,Ying Liu,Peiyu Chen,Heyi Li,Hao Zhang,Meng Wu,Wei He,Linxiao Shen,Yihan Zhang,Zhichao Tan,Yangyuan Wang,Ru Huang
出处
期刊:IEEE Transactions on Circuits and Systems I-regular Papers [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:68 (12): 4821-4834 被引量:20
标识
DOI:10.1109/tcsi.2021.3095622
摘要

The Internet of Things (IoT) is an interface with the physical world that usually operates in random-sparse-event (RSE) scenarios. This article discusses main challenges of IoT chips: power consumption, power supply, artificial intelligence (AI), small-signal acquisition, and evaluation criteria. To overcome these challenges, many works recently aimed at IoT system design have emerged. This work reviews the architecture and circuit innovations that have contributed to IoT developments. This paper does not cover security of IoT. Event-driven architectures and nonuniform sampling ADCs significantly reduce the long-term average power. Besides, embedding AI engines in IoT nodes (AIoT) is one critical trend. The computing-in-memory technique improves the energy efficiency of the AI engine. Asynchronous spike neural networks (ASNNs) AI engines show low power potential. In addition to data processing, small-signal acquisition is also critical. The charge-domain analog-front-end (AFE) techniques such as floating inverter-based amplifiers improve energy efficiency. In addition to the above low power and high energy efficiency technologies, energy harvesting can also enhance the lifetime of AIoT devices. This article discusses recent ambient RF and natural energy harvesting approaches and high-efficiency DC-DC with a wide load range. Finally, novel evaluation criteria are introduced to establish benchmark standards for AIoT chips.
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