美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究人員去年設(shè)計(jì)了一種微型計(jì)算機(jī)芯片，專(zhuān)門(mén)用于幫助蜜蜂大小的無(wú)人機(jī)導(dǎo)航，目前該芯片在尺寸和功耗方面都進(jìn)一步縮小。

  本周他們將在VLSI技術(shù)和電路專(zhuān)題討論會(huì)上發(fā)表的名為“Navion”的新計(jì)算機(jī)芯片面積僅為20平方毫米，功耗僅為24毫瓦，為燈泡供電所需能量的千分之一。

  該芯片情況

  該小組由麻省理工學(xué)院電氣工程與計(jì)算機(jī)科學(xué)系（EECS）副教授Vivienne Sze和航空航天學(xué)副教授Sertac Karaman共同領(lǐng)導(dǎo)，芯片為完全定制，重點(diǎn)在于降低功耗和尺寸，同時(shí)提高處理速度。

  利用這種微量的功率，該芯片能夠以高達(dá)每秒171幀的速度處理實(shí)時(shí)相機(jī)圖像以及慣性測(cè)量，這兩種方法都可以用來(lái)確定它在空間中的位置。研究人員說(shuō)，該芯片可以集成到指甲般小的“nanodrones”中，以幫助車(chē)輛導(dǎo)航，特別是在全球定位衛(wèi)星數(shù)據(jù)不可用的遠(yuǎn)程或難以進(jìn)入的地方。

  該芯片也可以在任何小型機(jī)器人或需要長(zhǎng)時(shí)間導(dǎo)航的有限電源設(shè)備上。

  芯片研究背景

  Karaman是麻省理工學(xué)院數(shù)據(jù)、系統(tǒng)和社會(huì)研究所信息與決策系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的成員，他說(shuō)：“我可以想象將這種芯片應(yīng)用于低能量機(jī)器人，如指甲般大小的撲翼飛行器，或者像天氣氣球那樣的輕于空氣的飛行器，這些飛行器必須利用一塊電池運(yùn)行數(shù)月。或者將醫(yī)療設(shè)備想象成一個(gè)可以吞咽的小藥片，它可以以非常小的電池智能地導(dǎo)航，因此它不會(huì)在您的身體內(nèi)發(fā)生過(guò)熱情況，我們正在構(gòu)建的芯片可以幫助解決所有這些問(wèn)題。”

  在過(guò)去的幾年中，多個(gè)研究小組設(shè)計(jì)出的小型無(wú)人機(jī)足夠小，可以放在手掌中。科學(xué)家們?cè)O(shè)想，這樣的小型車(chē)輛可以四處飛行，并拍攝周?chē)h(huán)境的照片，例如蚊子大小的攝影師。

  但是手掌大小的無(wú)人駕駛飛機(jī)只能承載較少的電池能量，其中大部分用于使其電機(jī)飛行，并為其他基本操作（如導(dǎo)航，特別是狀態(tài)估計(jì)）留有部分能量。

  Karaman說(shuō)，“在傳統(tǒng)的機(jī)器人技術(shù)中，我們采用現(xiàn)有的現(xiàn)成計(jì)算機(jī)并對(duì)其實(shí)施[狀態(tài)估計(jì)]算法，因?yàn)槲覀兺ǔ２槐負(fù)?dān)心功耗，但是在每一個(gè)需要小型化低功耗應(yīng)用的項(xiàng)目中，我們現(xiàn)在都必須以一種完全不同的方式思考編程所面臨的挑戰(zhàn)。”

  在他們之前的工作中，Sze和Karaman通過(guò)在單個(gè)芯片中結(jié)合算法和硬件來(lái)解決這些問(wèn)題。最初設(shè)計(jì)是在FPGA上實(shí)現(xiàn)的，該芯片能夠使用2瓦的功率執(zhí)行狀態(tài)估計(jì)，而較大的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)人機(jī)通常需要10至30瓦來(lái)執(zhí)行相同的任務(wù)。盡管如此，該芯片的功耗仍然高于微型無(wú)人機(jī)通常能夠承載的功耗總量，研究人員估計(jì)其功耗約為100毫瓦。

  重新設(shè)計(jì)-降低功耗

  為了進(jìn)一步縮小芯片尺寸和功耗，該團(tuán)隊(duì)決定從頭開(kāi)始構(gòu)建芯片，而不是重新配置現(xiàn)有設(shè)計(jì)。“這給了我們更多的芯片設(shè)計(jì)靈活性，”Sze說(shuō)。

  為了減少芯片的功耗，該團(tuán)隊(duì)提出了一種設(shè)計(jì)，以最大限度地減少在任何給定時(shí)間存儲(chǔ)在芯片上的數(shù)據(jù)量（照相機(jī)圖像和慣性測(cè)量等）。該設(shè)計(jì)還優(yōu)化了數(shù)據(jù)流經(jīng)芯片的方式。

  任何暫時(shí)存儲(chǔ)在芯片上的圖像都是經(jīng)過(guò)壓縮的，所以需要更少的內(nèi)存。該團(tuán)隊(duì)還減少了無(wú)關(guān)的操作，例如0的計(jì)算。研究人員找到了一種方法來(lái)跳過(guò)涉及數(shù)據(jù)中任何零的計(jì)算步驟。這讓芯片避免了必須處理和存儲(chǔ)這些零，因此可以減少大量不必要的存儲(chǔ)和計(jì)算周期，從而降低芯片尺寸和功耗，并提高芯片的處理速度。

  測(cè)試結(jié)果

  通過(guò)他們的設(shè)計(jì)，該團(tuán)隊(duì)能夠?qū)⑿酒膬?nèi)存從之前的2兆減少到0.8兆。該團(tuán)隊(duì)在先前收集的無(wú)人機(jī)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)集上對(duì)芯片進(jìn)行測(cè)試，這些無(wú)人機(jī)在多種環(huán)境中飛行，如辦公室和倉(cāng)庫(kù)式空間。

  Sze說(shuō)：“雖然我們?yōu)榈凸暮透咚偬幚矶ㄖ屏诵酒?，但我們也使其具有足夠的靈活性，以便它能夠適應(yīng)這些不同的環(huán)境，進(jìn)一步節(jié)約能源，關(guān)鍵是找到靈活性和效率之間的平衡。”

  從這些測(cè)試中，研究人員發(fā)現(xiàn)他們能夠?qū)⑿酒墓膹?瓦降低到24毫瓦，而這足以讓芯片以每秒171幀的速度處理圖像-這個(gè)速度甚至比預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)集。

  計(jì)劃開(kāi)展真實(shí)場(chǎng)景測(cè)試

  該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃通過(guò)在微型賽車(chē)上實(shí)施其芯片來(lái)展示其設(shè)計(jì)。當(dāng)一個(gè)屏幕顯示車(chē)載攝像頭的實(shí)時(shí)視頻時(shí)，研究人員還希望能夠顯示芯片實(shí)時(shí)確定其在空間中的位置以及用于執(zhí)行此任務(wù)的功率。最終，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在一架真正的無(wú)人機(jī)上測(cè)試芯片，并最終在微型無(wú)人機(jī)上進(jìn)行測(cè)試。

  該芯片還可以重新配置以支持不同的攝像機(jī)和慣性測(cè)量單元（IMU）傳感器。