محققان MIT که سال گذشته یک تراشه کوچک رایانه ای را طراحی کرده اند تا بتواند هواپیماهای بدون سرنشین به اندازه زنبور عسل را هدایت کند ، اکنون هم از نظر اندازه و هم در مصرف انرژی ، طراحی تراشه های خود را حتی بیشتر کاهش داده اند.

این تیم که به سرپرستی ویوینین سز ، استادیار گروه مهندسی برق و علوم کامپیوتر (MIT) در MIT و Sertac Karaman ، کلاس سال 1948 دانشیار توسعه حرفه ای هوانوردی و فضانوردی ساخته شده ، یک تراشه کاملاً سفارشی از زمین ساخته است. با تمرکز بر کاهش مصرف انرژی و اندازه و در عین حال افزایش سرعت پردازش.

تراشه رایانه ای جدید با نام " Navion " که آنها این هفته در Symposia on VLSI Technology and Circuits ارائه می دهند ، فقط 20 میلی متر مربع است - در اندازه یک اثر مینی گرافی LEGO - و فقط 24 میلی ولت نیرو یا تقریباً مصرف می کند. یک هزارمین انرژی مورد نیاز برای تأمین انرژی یک لامپ کم مصرف است.

این تراشه با استفاده از این مقدار کمی قدرت قادر به پردازش تصاویر دوربین در زمان واقعی تا حداکثر 171 فریم در ثانیه و همچنین اندازه گیری های اینرسی است که هر دو از آن برای تعیین محل حضور در فضا استفاده می کنند. محققان می گویند این تراشه برای کمک به وسایل نقلیه در حرکت ، به ویژه در مکانهای دورافتاده یا غیرقابل دسترسی که داده های ماهواره ای موقعیت یابی جهانی در دسترس نیست ، می تواند در "ناندرودها" به اندازه ناخن انگشت یکپارچه شود.

طراحی تراشه همچنین می توانید بر روی هر ربات کوچک و یا دستگاه که نیاز به حرکت بیش از امتداد طولانی از زمان در یک منبع تغذیه محدود اجرا می شود.

کرمان می گوید: "من تصور می کنم استفاده از این تراشه در روباتیک های کم مصرف مانند وسایل نقلیه بال دار اندازه انگشت شما یا وسایل نقلیه سبکتر مانند بادکنک های هوا ، که باید ماه ها بر روی یک باتری بمانند." عضو آزمایشگاه سیستم های اطلاعات و تصمیم گیری و انستیتوی داده ها ، سیستم ها و جامعه در MIT است. "یا دستگاههای پزشکی مانند قرص کوچکی را که قورت می دهید تصور کنید که می تواند به روش هوشمندی روی باتری بسیار کمی حرکت کند تا در بدن شما بیش از حد گرم نشود. تراشه هایی که ساختیم می تواند به همه این موارد کمک کند."

همکاران نویسنده سز و کارامان ، دانش آموخته فارغ التحصیلان EECS ، عمرو سلیمان هستند که نویسنده اصلی آن است. دانشجو فارغ التحصیل EECS ژنگدونگ ژانگ؛ و لوکا کارلون ، که دانشمند پژوهشگر در طول پروژه بود و هم اکنون استادیار گروه آموزشی هوانوردی و فضانوردی MIT است.

یک تراشه انعطاف پذیر

در چند سال گذشته ، چندین گروه تحقیقاتی هواپیماهای بدون سرنشین مینیاتوری را به اندازه کافی کوچک طراحی کرده اند که در کف دست شما قرار بگیرند. دانشمندان تصور می كنند كه چنین وسایل نقلیه كوچكی می توانند قبل از فرود آمدن در کف دست خود ، مانند عكاسان اندازه پشه یا نقشه برداران ، به اطراف خود پرواز كنند و از تصاویر اطراف شما عکس بگیرند ، و در آنجا می توانند به راحتی از آن دور شوند.

اما یک هواپیمای بدون سرنشین به اندازه کف دست فقط می تواند قدرت باتری زیادی را تحمل کند ، که بیشتر آن برای پرواز موتورهای خود استفاده می شود و انرژی بسیار کمی را برای سایر کارهای ضروری مانند ناوبری و به ویژه تخمین حالت یا توانایی یک ربات باقی می گذارد. برای تعیین جایی که در فضا است.

کارامان می گوید: "در رباتیک سنتی ، رایانه های خارج از قفسه را می گیریم و الگوریتم های [تخمین حالت] را روی آنها پیاده سازی می کنیم ، زیرا ما معمولاً نگران مصرف برق نیستیم." "اما در هر پروژه ای که ما را به استفاده از برنامه های کم مصرف نیاز دارد ، اکنون باید در مورد چالش های برنامه نویسی به روشی بسیار متفاوت فکر کنیم."

در کار قبلی خود ، سازه و کارامان با ترکیب الگوریتم ها و سخت افزارها در یک تراشه واحد ، به پرداختن به چنین مواردی پرداختند. طراحی اولیه آنها بر روی یک دروازه قابل برنامه ریزی درست یا FPGA ، یک بستر سخت افزاری تجاری انجام شده است که می تواند در یک برنامه خاص پیکربندی شود. این تراشه قادر به انجام تخمین حالت با استفاده از 2 وات قدرت ، در مقایسه با پهپادهای بزرگتر ، استاندارد است که به طور معمول برای انجام کارهای مشابه به 10 تا 30 وات نیاز دارند. با این وجود ، میزان مصرف این تراشه بیشتر از کل نیرویی است که هواپیماهای بدون سرنشین مینیاتوری می توانند بطور معمول تحمل کنند ، که محققان تخمین می زنند حدود 100 میلی وات باشد.

برای کوچکتر کردن تراشه ، هم در اندازه و هم در مصرف انرژی ، تیم تصمیم به ساخت یک تراشه از سطح زمین به جای ایجاد مجدد یک طرح موجود گرفت. سز می گوید: "این باعث می شود انعطاف پذیری بیشتری در طراحی تراشه ایجاد شود."

در حال دویدن در جهان است

برای کاهش مصرف انرژی تراشه ، این گروه به طرحی دست یافتند که بتواند مقدار داده را - در قالب تصاویر دوربین و اندازه گیری های اینرسی - که در هر زمان معینی در تراشه ذخیره می شود ، به حداقل برساند. طراحی همچنین نحوه به دست آوردن این داده ها را در تراشه بهینه می کند.

Sze که عضو آزمایشگاه تحقیقاتی الکترونیک در MIT است ، می گوید: "هرکدام از تصویری را که می توانستیم به طور موقت روی تراشه ذخیره کنیم ، فشرده می شویم بنابراین به حافظه کمتری نیاز دارد." این تیم همچنین عملیات های بیرونی مانند محاسبه صفر ها را کاهش داده است که نتیجه آن صفر است. محققان راهی برای پرش از آن مراحل محاسباتی شامل هر صفر در داده ها پیدا کردند. سز می گوید: "این به ما اجازه می دهد تا از پردازش و ذخیره تمام آن صفرها جلوگیری کنیم ، بنابراین می توان بسیاری از چرخه های ذخیره و غیرمجاز غیر ضروری را قطع کرد و این باعث کاهش اندازه و قدرت تراشه می شود و سرعت پردازش تراشه را افزایش می دهد."

این تیم از طریق طراحی آنها توانست حافظه تراشه را از 2 مگابایت قبلی خود کاهش دهد و به حدود 0.8 مگابایت برساند. این تیم تراشه را روی داده های قبلی جمع آوری شده توسط هواپیماهای بدون سرنشین که از طریق محیط های مختلفی مانند فضاهای اداری و انبارها پرواز می کنند ، آزمایش کردند.

سز می گوید: "در حالی که ما تراشه را برای پردازش کم توان و سرعت بالا سفارشی کردیم ، ما نیز آن را به اندازه کافی انعطاف پذیر ساختیم تا بتواند برای صرفه جویی در مصرف انرژی اضافی با این محیط های مختلف سازگار باشد." "نکته اصلی یافتن تعادل بین انعطاف پذیری و کارآیی است." تراشه همچنین می تواند برای پشتیبانی از دوربین های مختلف و سنسورهای واحد اندازه گیری اینرسی (IMU) دوباره تنظیم شود.

محققان از این آزمایشات دریافتند که آنها قادرند میزان مصرف انرژی تراشه را از 2 وات به 24 میلی لیتر کاهش دهند ، و این به اندازه کافی است تا بتواند تراشه را برای پردازش تصاویر با 171 فریم در ثانیه کاهش دهد - نرخی که حتی سریعتر از آنچه بود مجموعه داده های پیش بینی شده

این تیم قصد دارد با پیاده سازی تراشه خود بر روی یک اتومبیل مسابقه مینیاتوری ، طراحی خود را به نمایش بگذارد. در حالی که یک صفحه نمایش فیلم زنده یک دوربین مادربورد را نمایش می دهد ، محققان همچنین امیدوارند که این تراشه را در مکانی واقعی ، در زمان واقعی و همچنین میزان توان مورد استفاده برای انجام این کار ، نشان دهد. سرانجام ، این تیم قصد دارد تراشه را روی یک پهپاد واقعی و در نهایت بر روی یک پهپاد مینیاتوری آزمایش کند.

محققان MIT که سال گذشته یک تراشه کوچک رایانه ای را طراحی کرده اند تا بتواند هواپیماهای بدون سرنشین به اندازه زنبور عسل را هدایت کند ، اکنون هم از نظر اندازه و هم در مصرف انرژی ، طراحی تراشه های خود را حتی بیشتر کاهش داده اند.

این تیم که به سرپرستی ویوینین سز ، استادیار گروه مهندسی برق و علوم کامپیوتر (MIT) در MIT و Sertac Karaman ، کلاس سال 1948 دانشیار توسعه حرفه ای هوانوردی و فضانوردی ساخته شده ، یک تراشه کاملاً سفارشی از زمین ساخته است. با تمرکز بر کاهش مصرف انرژی و اندازه و در عین حال افزایش سرعت پردازش.

تراشه رایانه ای جدید با نام " Navion " که آنها این هفته در Symposia on VLSI Technology and Circuits ارائه می دهند ، فقط 20 میلی متر مربع است - در اندازه یک اثر مینی گرافی LEGO - و فقط 24 میلی ولت نیرو یا تقریباً مصرف می کند. یک هزارمین انرژی مورد نیاز برای تأمین انرژی یک لامپ کم مصرف است.

این تراشه با استفاده از این مقدار کمی قدرت قادر به پردازش تصاویر دوربین در زمان واقعی تا حداکثر 171 فریم در ثانیه و همچنین اندازه گیری های اینرسی است که هر دو از آن برای تعیین محل حضور در فضا استفاده می کنند. محققان می گویند این تراشه برای کمک به وسایل نقلیه در حرکت ، به ویژه در مکانهای دورافتاده یا غیرقابل دسترسی که داده های ماهواره ای موقعیت یابی جهانی در دسترس نیست ، می تواند در "ناندرودها" به اندازه ناخن انگشت یکپارچه شود.

طراحی تراشه همچنین می توانید بر روی هر ربات کوچک و یا دستگاه که نیاز به حرکت بیش از امتداد طولانی از زمان در یک منبع تغذیه محدود اجرا می شود.

کرمان می گوید: "من تصور می کنم استفاده از این تراشه در روباتیک های کم مصرف مانند وسایل نقلیه بال دار اندازه انگشت شما یا وسایل نقلیه سبکتر مانند بادکنک های هوا ، که باید ماه ها بر روی یک باتری بمانند." عضو آزمایشگاه سیستم های اطلاعات و تصمیم گیری و انستیتوی داده ها ، سیستم ها و جامعه در MIT است. "یا دستگاههای پزشکی مانند قرص کوچکی را که قورت می دهید تصور کنید که می تواند به روش هوشمندی روی باتری بسیار کمی حرکت کند تا در بدن شما بیش از حد گرم نشود. تراشه هایی که ساختیم می تواند به همه این موارد کمک کند."

همکاران نویسنده سز و کارامان ، دانش آموخته فارغ التحصیلان EECS ، عمرو سلیمان هستند که نویسنده اصلی آن است. دانشجو فارغ التحصیل EECS ژنگدونگ ژانگ؛ و لوکا کارلون ، که دانشمند پژوهشگر در طول پروژه بود و هم اکنون استادیار گروه آموزشی هوانوردی و فضانوردی MIT است.

یک تراشه انعطاف پذیر

در چند سال گذشته ، چندین گروه تحقیقاتی هواپیماهای بدون سرنشین مینیاتوری را به اندازه کافی کوچک طراحی کرده اند که در کف دست شما قرار بگیرند. دانشمندان تصور می كنند كه چنین وسایل نقلیه كوچكی می توانند قبل از فرود آمدن در کف دست خود ، مانند عكاسان اندازه پشه یا نقشه برداران ، به اطراف خود پرواز كنند و از تصاویر اطراف شما عکس بگیرند ، و در آنجا می توانند به راحتی از آن دور شوند.

اما یک هواپیمای بدون سرنشین به اندازه کف دست فقط می تواند قدرت باتری زیادی را تحمل کند ، که بیشتر آن برای پرواز موتورهای خود استفاده می شود و انرژی بسیار کمی را برای سایر کارهای ضروری مانند ناوبری و به ویژه تخمین حالت یا توانایی یک ربات باقی می گذارد. برای تعیین جایی که در فضا است.

کارامان می گوید: "در رباتیک سنتی ، رایانه های خارج از قفسه را می گیریم و الگوریتم های [تخمین حالت] را روی آنها پیاده سازی می کنیم ، زیرا ما معمولاً نگران مصرف برق نیستیم." "اما در هر پروژه ای که ما را به استفاده از برنامه های کم مصرف نیاز دارد ، اکنون باید در مورد چالش های برنامه نویسی به روشی بسیار متفاوت فکر کنیم."

در کار قبلی خود ، سازه و کارامان با ترکیب الگوریتم ها و سخت افزارها در یک تراشه واحد ، به پرداختن به چنین مواردی پرداختند. طراحی اولیه آنها بر روی یک دروازه قابل برنامه ریزی درست یا FPGA ، یک بستر سخت افزاری تجاری انجام شده است که می تواند در یک برنامه خاص پیکربندی شود. این تراشه قادر به انجام تخمین حالت با استفاده از 2 وات قدرت ، در مقایسه با پهپادهای بزرگتر ، استاندارد است که به طور معمول برای انجام کارهای مشابه به 10 تا 30 وات نیاز دارند. با این وجود ، میزان مصرف این تراشه بیشتر از کل نیرویی است که هواپیماهای بدون سرنشین مینیاتوری می توانند بطور معمول تحمل کنند ، که محققان تخمین می زنند حدود 100 میلی وات باشد.

برای کوچکتر کردن تراشه ، هم در اندازه و هم در مصرف انرژی ، تیم تصمیم به ساخت یک تراشه از سطح زمین به جای ایجاد مجدد یک طرح موجود گرفت. سز می گوید: "این باعث می شود انعطاف پذیری بیشتری در طراحی تراشه ایجاد شود."

در حال دویدن در جهان است

برای کاهش مصرف انرژی تراشه ، این گروه به طرحی دست یافتند که بتواند مقدار داده را - در قالب تصاویر دوربین و اندازه گیری های اینرسی - که در هر زمان معینی در تراشه ذخیره می شود ، به حداقل برساند. طراحی همچنین نحوه به دست آوردن این داده ها را در تراشه بهینه می کند.

Sze که عضو آزمایشگاه تحقیقاتی الکترونیک در MIT است ، می گوید: "هرکدام از تصویری را که می توانستیم به طور موقت روی تراشه ذخیره کنیم ، فشرده می شویم بنابراین به حافظه کمتری نیاز دارد." این تیم همچنین عملیات های بیرونی مانند محاسبه صفر ها را کاهش داده است که نتیجه آن صفر است. محققان راهی برای پرش از آن مراحل محاسباتی شامل هر صفر در داده ها پیدا کردند. سز می گوید: "این به ما اجازه می دهد تا از پردازش و ذخیره تمام آن صفرها جلوگیری کنیم ، بنابراین می توان بسیاری از چرخه های ذخیره و غیرمجاز غیر ضروری را قطع کرد و این باعث کاهش اندازه و قدرت تراشه می شود و سرعت پردازش تراشه را افزایش می دهد."

این تیم از طریق طراحی آنها توانست حافظه تراشه را از 2 مگابایت قبلی خود کاهش دهد و به حدود 0.8 مگابایت برساند. این تیم تراشه را روی داده های قبلی جمع آوری شده توسط هواپیماهای بدون سرنشین که از طریق محیط های مختلفی مانند فضاهای اداری و انبارها پرواز می کنند ، آزمایش کردند.

سز می گوید: "در حالی که ما تراشه را برای پردازش کم توان و سرعت بالا سفارشی کردیم ، ما نیز آن را به اندازه کافی انعطاف پذیر ساختیم تا بتواند برای صرفه جویی در مصرف انرژی اضافی با این محیط های مختلف سازگار باشد." "نکته اصلی یافتن تعادل بین انعطاف پذیری و کارآیی است." تراشه همچنین می تواند برای پشتیبانی از دوربین های مختلف و سنسورهای واحد اندازه گیری اینرسی (IMU) دوباره تنظیم شود.

محققان از این آزمایشات دریافتند که آنها قادرند میزان مصرف انرژی تراشه را از 2 وات به 24 میلی لیتر کاهش دهند ، و این به اندازه کافی است تا بتواند تراشه را برای پردازش تصاویر با 171 فریم در ثانیه کاهش دهد - نرخی که حتی سریعتر از آنچه بود مجموعه داده های پیش بینی شده

این تیم قصد دارد با پیاده سازی تراشه خود بر روی یک اتومبیل مسابقه مینیاتوری ، طراحی خود را به نمایش بگذارد. در حالی که یک صفحه نمایش فیلم زنده یک دوربین مادربورد را نمایش می دهد ، محققان همچنین امیدوارند که این تراشه را در مکانی واقعی ، در زمان واقعی و همچنین میزان توان مورد استفاده برای انجام این کار ، نشان دهد. سرانجام ، این تیم قصد دارد تراشه را روی یک پهپاد واقعی و در نهایت بر روی یک پهپاد مینیاتوری آزمایش کند.