Forskare vid MIT, som förra året designade ett litet datorchip skräddarsytt för att hjälpa drönare i storleken honungsbi att navigera, har nu krympt sin chipdesign ytterligare, i både storlek och strömförbrukning.

Laget, leds av Vivienne Sze, docent vid MIT:s institution för elektroteknik och datavetenskap (EECS), och Sertac Karaman, the Class of 1948 Career Development Docent i flyg- och astronautik, byggde ett helt anpassat chip från grunden, med fokus på att minska strömförbrukningen och storleken samtidigt som bearbetningshastigheten ökar.

Det nya datorchippet, som heter "Navion, "som de presenterar denna vecka på Symposia on VLSI Technology and Circuits, är bara 20 kvadratmillimeter – ungefär lika stor som en LEGO minifigurs fotavtryck – och förbrukar bara 24 milliwatt ström, eller ungefär en tusendel av energin som krävs för att driva en glödlampa.

Att använda denna lilla mängd kraft, chipet kan bearbeta kamerabilder i realtid med upp till 171 bilder per sekund, såväl som tröghetsmätningar, båda som den använder för att avgöra var den är i rymden. Forskarna säger att chippet kan integreras i "nanodroner" så små som en nagel, för att hjälpa fordonen att navigera, särskilt på avlägsna eller otillgängliga platser där satellitdata för global positionering inte är tillgänglig.

Chipdesignen kan också köras på vilken liten robot eller enhet som helst som behöver navigera över långa tidsperioder med en begränsad strömförsörjning.

"Jag kan tänka mig att använda detta chip på lågenergirobotar, som bilar med flaxande vingar i storleken på din nagel, eller lättare än luftfordon som väderballonger, som måste gå i månader på ett batteri, säger Karaman, som är medlem i Laboratoriet för informations- och beslutssystem och Institutet för data, System, och samhället vid MIT. "Eller föreställ dig medicinsk utrustning som ett litet piller du sväljer, som kan navigera på ett intelligent sätt på väldigt lite batteri så att den inte överhettas i kroppen. Chipsen vi bygger kan hjälpa till med alla dessa."

Sze och Karamans medförfattare är EECS doktorand Amr Suleiman, vem är huvudförfattare; EECS doktorand Zhengdong Zhang; och Luca Carlone, som var forskare under projektet och nu är biträdande professor vid MIT:s institution för flyg- och astronautik.

Ett flexibelt chip

Under de senaste åren, flera forskargrupper har konstruerat miniatyrdrönare som är tillräckligt små för att passa i din handflata. Forskare föreställer sig att sådana små fordon kan flyga runt och ta bilder av din omgivning, som fotografer eller lantmätare i myggstorlek, innan du landar tillbaka i din handflata, där de sedan enkelt kan förvaras undan.

Men en drönare i handflatan kan bara bära så mycket batterikraft, det mesta används för att få dess motorer att flyga, lämnar mycket lite energi till andra viktiga operationer, såsom navigering, och, särskilt, statlig uppskattning, eller en robots förmåga att avgöra var den befinner sig i rymden.

"Inom traditionell robotteknik, vi tar befintliga datorer och implementerar [tillståndsuppskattning]-algoritmer på dem, eftersom vi vanligtvis inte behöver oroa oss för strömförbrukning, " säger Karaman. "Men i varje projekt som kräver att vi miniatyrisera lågeffektapplikationer, vi måste nu tänka på utmaningarna med programmering på ett helt annat sätt."

I deras tidigare arbete, Sze och Karaman började ta itu med sådana problem genom att kombinera algoritmer och hårdvara i ett enda chip. Deras ursprungliga design implementerades på en fältprogrammerbar gate-array, eller FPGA, en kommersiell hårdvaruplattform som kan konfigureras till en given applikation. Chipet kunde utföra tillståndsuppskattning med 2 watt effekt, jämfört med större, vanliga drönare som vanligtvis kräver 10 till 30 watt för att utföra samma uppgifter. Fortfarande, chipets strömförbrukning var större än den totala mängden ström som miniatyrdrönare vanligtvis kan bära, som forskare uppskattar till cirka 100 milliwatt.

För att krympa chippet ytterligare, i både storlek och strömförbrukning, teamet bestämde sig för att bygga ett chip från grunden istället för att konfigurera om en befintlig design. "Detta gav oss mycket mer flexibilitet i designen av chipet, " säger Sze.

Springer i världen

För att minska chipets strömförbrukning, gruppen kom på en design för att minimera mängden data – i form av kamerabilder och tröghetsmätningar – som lagras på chippet vid varje given tidpunkt. Designen optimerar också hur denna data flödar över chipet.

"Vilken som helst av bilderna vi skulle ha tillfälligt lagrat på chipet, vi komprimerade faktiskt så det krävde mindre minne, säger Sze, som är medlem i Research Laboratory of Electronics vid MIT. Teamet minskade också på externa operationer, såsom beräkning av nollor, vilket resulterar i en nolla. Forskarna hittade ett sätt att hoppa över dessa beräkningssteg som involverar nollor i data. "Det här gjorde det möjligt för oss att slippa bearbeta och lagra alla dessa nollor, så vi kan skära bort en massa onödiga lagrings- och beräkningscykler, vilket minskar chipstorleken och kraften, och ökar bearbetningshastigheten för chipet, " säger Sze.

Genom sin design, teamet kunde minska chipets minne från dess tidigare 2 megabyte, till cirka 0,8 megabyte. Teamet testade chippet på tidigare insamlade datamängder genererade av drönare som flög genom flera miljöer, såsom kontors- och lagerlokaler.

"Medan vi anpassade chippet för låg effekt och höghastighetsbehandling, vi har också gjort den tillräckligt flexibel så att den kan anpassa sig till dessa olika miljöer för ytterligare energibesparingar, " Sze säger. "Nyckeln är att hitta balansen mellan flexibilitet och effektivitet." Chipet kan också omkonfigureras för att stödja olika kameror och tröghetsmätenheter (IMU) sensorer.

Från dessa tester, forskarna fann att de kunde sänka chipets strömförbrukning från 2 watt till 24 milliwatt, och att detta var tillräckligt för att driva chipet för att bearbeta bilder med 171 bilder per sekund – en hastighet som var ännu snabbare än vad datamängderna projicerade.

Teamet planerar att demonstrera sin design genom att implementera sitt chip på en racerbil i miniatyr. Medan en skärm visar en inbyggd kameras livevideo, forskarna hoppas också kunna visa chippet som avgör var det är i rymden, i realtid, samt mängden ström som den använder för att utföra denna uppgift. Så småningom, teamet planerar att testa chippet på en riktig drönare, och slutligen på en miniatyrdrönare.