Onderzoekers van het MIT, die vorig jaar een kleine computerchip ontwierp om drones ter grootte van een honingbij te helpen navigeren, hebben hun chipontwerp nu nog verder gekrompen, zowel qua grootte als stroomverbruik.

Het team, mede geleid door Vivienne Sze, universitair hoofddocent bij MIT's Department of Electrical Engineering and Computer Science (EECS), en Sertac Karaman, the Class of 1948 Career Development Associate Professor of Aeronautics and Astronautics, een volledig op maat gemaakte chip vanaf de grond opgebouwd, met een focus op het verminderen van het stroomverbruik en de grootte, terwijl ook de verwerkingssnelheid wordt verhoogd.

De nieuwe computerchip, genaamd "Navy, " die ze deze week presenteren op de Symposia on VLSI Technology and Circuits, is slechts 20 vierkante millimeter - ongeveer zo groot als de voetafdruk van een LEGO minifiguur - en verbruikt slechts 24 milliwatt aan stroom, of ongeveer een duizendste van de energie die nodig is om een ​​gloeilamp van stroom te voorzien.

Met behulp van deze kleine hoeveelheid kracht, de chip kan in realtime camerabeelden verwerken tot 171 frames per seconde, evenals traagheidsmetingen, beide gebruikt het om te bepalen waar het zich in de ruimte bevindt. De onderzoekers zeggen dat de chip kan worden geïntegreerd in "nanodrones" zo klein als een vingernagel. om de voertuigen te helpen navigeren, met name op afgelegen of ontoegankelijke plaatsen waar satellietgegevens voor wereldwijde plaatsbepaling niet beschikbaar zijn.

Het chipontwerp kan ook worden uitgevoerd op elke kleine robot of elk apparaat dat lange tijd moet navigeren op een beperkte stroomvoorziening.

"Ik kan me voorstellen dat ik deze chip zou toepassen op energiezuinige robotica, als klapperende voertuigen ter grootte van je vingernagel, of lichter dan luchtvoertuigen zoals weerballonnen, die maanden op één batterij moeten werken, " zegt Karaman, die lid is van het Laboratorium voor Informatie- en Beslissystemen en het Instituut voor Data, systemen, en Maatschappij aan het MIT. "Of stel je medische hulpmiddelen voor als een pil die je doorslikt, die op een intelligente manier kan navigeren op een zeer kleine batterij, zodat hij niet oververhit raakt in uw lichaam. De chips die we aan het bouwen zijn, kunnen daarbij helpen."

De co-auteurs van Sze en Karaman zijn EECS-afgestudeerde student Amr Suleiman, wie is de hoofdauteur; EECS-afgestudeerde student Zhengdong Zhang; en Luca Carlone, die een onderzoekswetenschapper was tijdens het project en nu een assistent-professor is bij het MIT's Department of Aeronautics and Astronautics.

Een flexibele chip

In de laatste paar jaren, meerdere onderzoeksgroepen hebben miniatuurdrones ontworpen die klein genoeg zijn om in de palm van je hand te passen. Wetenschappers stellen zich voor dat zulke kleine voertuigen rond kunnen vliegen en foto's kunnen maken van je omgeving, zoals fotografen of landmeters ter grootte van een mug, voordat je weer in je handpalm landt, waar ze vervolgens gemakkelijk kunnen worden opgeborgen.

Maar een drone ter grootte van een handpalm kan maar zoveel batterijvermogen dragen, waarvan het meeste wordt gebruikt om de motoren te laten vliegen, waardoor er weinig energie overblijft voor andere essentiële handelingen, zoals navigatie, en, vooral, schatting van de staat, of het vermogen van een robot om te bepalen waar hij zich in de ruimte bevindt.

"In traditionele robotica, we nemen bestaande kant-en-klare computers en implementeren er [staatsschatting]-algoritmen op, omdat we ons meestal geen zorgen hoeven te maken over het stroomverbruik, ", zegt Karaman. "Maar in elk project waarbij we toepassingen met een laag vermogen moeten miniaturiseren, we moeten nu op een heel andere manier nadenken over de uitdagingen van programmeren."

In hun eerdere werk Sze en Karaman begonnen dergelijke problemen aan te pakken door algoritmen en hardware in één chip te combineren. Hun oorspronkelijke ontwerp werd geïmplementeerd op een veldprogrammeerbare poortarray, of FPGA, een commercieel hardwareplatform dat kan worden geconfigureerd voor een bepaalde toepassing. De chip was in staat om toestandsschattingen uit te voeren met behulp van 2 watt vermogen, vergeleken met grotere, standaarddrones die doorgaans 10 tot 30 watt nodig hebben om dezelfde taken uit te voeren. Nog altijd, het stroomverbruik van de chip was groter dan de totale hoeveelheid stroom die miniatuurdrones doorgaans kunnen dragen, die onderzoekers schatten op ongeveer 100 milliwatt.

Om de chip verder te verkleinen, zowel qua grootte als stroomverbruik, het team besloot een chip van de grond af te bouwen in plaats van een bestaand ontwerp opnieuw te configureren. "Dit gaf ons veel meer flexibiliteit in het ontwerp van de chip, ' zegt Sze.

Hardlopen in de wereld

Om het stroomverbruik van de chip te verminderen, de groep bedacht een ontwerp om de hoeveelheid gegevens - in de vorm van camerabeelden en traagheidsmetingen - die op een bepaald moment op de chip wordt opgeslagen, te minimaliseren. Het ontwerp optimaliseert ook de manier waarop deze gegevens over de chip stromen.

"Elk van de beelden die we tijdelijk op de chip zouden hebben opgeslagen, we hebben eigenlijk gecomprimeerd, dus er was minder geheugen nodig, " zegt Sze, die lid is van het Research Laboratory of Electronics aan het MIT. Het team bezuinigde ook op externe operaties, zoals het berekenen van nullen, wat resulteert in een nul. De onderzoekers hebben een manier gevonden om die rekenstappen met nullen in de gegevens over te slaan. "Hierdoor konden we voorkomen dat we al die nullen moesten verwerken en opslaan, zodat we veel onnodige opslag- en rekencycli kunnen vermijden, wat de chipgrootte en het vermogen vermindert, en verhoogt de verwerkingssnelheid van de chip, ' zegt Sze.

Door hun ontwerp, het team was in staat om het geheugen van de chip te verminderen van de vorige 2 megabytes, tot ongeveer 0,8 megabyte. Het team testte de chip op eerder verzamelde datasets die zijn gegenereerd door drones die door meerdere omgevingen vliegen. zoals kantoor- en magazijnachtige ruimtes.

"Hoewel we de chip hebben aangepast voor verwerking met laag vermogen en hoge snelheid, we hebben het ook voldoende flexibel gemaakt zodat het zich kan aanpassen aan deze verschillende omgevingen voor extra energiebesparing, "Sze zegt. "De sleutel is het vinden van de balans tussen flexibiliteit en efficiëntie." De chip kan ook opnieuw worden geconfigureerd om verschillende camera's en IMU-sensoren (Inertial Measurement Unit) te ondersteunen.

Uit deze testen is de onderzoekers ontdekten dat ze het stroomverbruik van de chip konden terugbrengen van 2 watt naar 24 milliwatt, en dat dit genoeg was om de chip van stroom te voorzien om afbeeldingen te verwerken met 171 frames per seconde - een snelheid die zelfs sneller was dan wat de datasets voorspelden.

Het team is van plan om het ontwerp te demonstreren door de chip op een miniatuurraceauto te implementeren. Terwijl een scherm de live video van een ingebouwde camera weergeeft, de onderzoekers hopen ook de chip te laten zien waar hij zich in de ruimte bevindt, live, evenals de hoeveelheid stroom die het gebruikt om deze taak uit te voeren. Eventueel, het team is van plan de chip te testen op een echte drone, en uiteindelijk op een miniatuurdrone.