美國麻省理工學院的研究人員去年設計了一種微型計算機芯片，專門用于幫助蜜蜂大小的無人機導航，目前該芯片在尺寸和功耗方面都進一步縮小。

  本周他們將在VLSI技術和電路專題討論會上發表的名為“Navion”的新計算機芯片面積僅為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院電氣工程與計算機科學系（EECS）副教授Vivienne Sze和航空航天學副教授Sertac Karaman共同領導，芯片為完全定制，重點在于降低功耗和尺寸，同時提高處理速度。

  利用這種微量的功率，該芯片能夠以高達每秒171幀的速度處理實時相機圖像以及慣性測量，這兩種方法都可以用來確定它在空間中的位置。研究人員說，該芯片可以集成到指甲般小的“nanodrones”中，以幫助車輛導航，特別是在全球定位衛星數據不可用的遠程或難以進入的地方。

  該芯片也可以在任何小型機器人或需要長時間導航的有限電源設備上。

  芯片研究背景

  Karaman是麻省理工學院數據、系統和社會研究所信息與決策系統實驗室的成員，他說：“我可以想象將這種芯片應用于低能量機器人，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行數月。或者將醫療設備想象成一個可以吞咽的小藥片，它可以以非常小的電池智能地導航，因此它不會在您的身體內發生過熱情況，我們正在構建的芯片可以幫助解決所有這些問題。”

  在過去的幾年中，多個研究小組設計出的小型無人機足夠小，可以放在手掌中。科學家們設想，這樣的小型車輛可以四處飛行，并拍攝周圍環境的照片，例如蚊子大小的攝影師。

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

  Karaman說，“在傳統的機器人技術中，我們采用現有的現成計算機并對其實施[狀態估計]算法，因為我們通常不必擔心功耗，但是在每一個需要小型化低功耗應用的項目中，我們現在都必須以一種完全不同的方式思考編程所面臨的挑戰。”

  在他們之前的工作中，Sze和Karaman通過在單個芯片中結合算法和硬件來解決這些問題。最初設計是在FPGA上實現的，該芯片能夠使用2瓦的功率執行狀態估計，而較大的標準無人機通常需要10至30瓦來執行相同的任務。盡管如此，該芯片的功耗仍然高于微型無人機通常能夠承載的功耗總量，研究人員估計其功耗約為100毫瓦。

  重新設計-降低功耗

  為了進一步縮小芯片尺寸和功耗，該團隊決定從頭開始構建芯片，而不是重新配置現有設計。“這給了我們更多的芯片設計靈活性，”Sze說。

  為了減少芯片的功耗，該團隊提出了一種設計，以最大限度地減少在任何給定時間存儲在芯片上的數據量（照相機圖像和慣性測量等）。該設計還優化了數據流經芯片的方式。

  任何暫時存儲在芯片上的圖像都是經過壓縮的，所以需要更少的內存。該團隊還減少了無關的操作，例如0的計算。研究人員找到了一種方法來跳過涉及數據中任何零的計算步驟。這讓芯片避免了必須處理和存儲這些零，因此可以減少大量不必要的存儲和計算周期，從而降低芯片尺寸和功耗，并提高芯片的處理速度。

  測試結果

  通過他們的設計，該團隊能夠將芯片的內存從之前的2兆減少到0.8兆。該團隊在先前收集的無人機產生的數據集上對芯片進行測試，這些無人機在多種環境中飛行，如辦公室和倉庫式空間。

  Sze說：“雖然我們為低功耗和高速處理定制了芯片，但我們也使其具有足夠的靈活性，以便它能夠適應這些不同的環境，進一步節約能源，關鍵是找到靈活性和效率之間的平衡。”

  從這些測試中，研究人員發現他們能夠將芯片的功耗從2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-這個速度甚至比預測數據集。

  計劃開展真實場景測試

  該團隊計劃通過在微型賽車上實施其芯片來展示其設計。當一個屏幕顯示車載攝像頭的實時視頻時，研究人員還希望能夠顯示芯片實時確定其在空間中的位置以及用于執行此任務的功率。最終，該團隊計劃在一架真正的無人機上測試芯片，并最終在微型無人機上進行測試。

  該芯片還可以重新配置以支持不同的攝像機和慣性測量單元（IMU）傳感器。