Ricercatori del MIT, che l'anno scorso ha progettato un minuscolo chip per computer su misura per aiutare i droni delle dimensioni di un'ape da miele a navigare, ora hanno ridotto ulteriormente il design del loro chip, sia nelle dimensioni che nei consumi.

Il gruppo, co-diretto da Vivienne Sze, professore associato nel Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica (EECS) del MIT, e Sertac Karaman, la classe del 1948 Professore Associato di Sviluppo della Carriera di Aeronautica e Astronautica, costruito un chip completamente personalizzato da zero, con un focus sulla riduzione del consumo energetico e delle dimensioni, aumentando anche la velocità di elaborazione.

Il nuovo chip del computer, denominato "Navion, " che presentano questa settimana ai Simposi sulla tecnologia e i circuiti VLSI, è di soli 20 millimetri quadrati, circa le dimensioni dell'impronta di una minifigure LEGO, e consuma solo 24 milliwatt di potenza, o circa un millesimo dell'energia necessaria per alimentare una lampadina.

Usando questa piccola quantità di energia, il chip è in grado di elaborare in tempo reale le immagini della telecamera fino a 171 fotogrammi al secondo, così come misure inerziali, entrambi i quali utilizza per determinare dove si trova nello spazio. I ricercatori affermano che il chip può essere integrato in "nanodroni" piccoli come un'unghia, per aiutare i veicoli a navigare, in particolare in luoghi remoti o inaccessibili dove i dati satellitari di posizionamento globale non sono disponibili.

Il design del chip può essere eseguito anche su qualsiasi piccolo robot o dispositivo che deve navigare per lunghi periodi di tempo con un'alimentazione limitata.

"Posso immaginare di applicare questo chip alla robotica a bassa energia, come veicoli ad ali battenti grandi come un'unghia, o veicoli più leggeri dell'aria come i palloni meteorologici, che devono andare avanti per mesi con una batteria, "dice Karaman, che è membro del Laboratorio per i sistemi informativi e decisionali e dell'Istituto per i dati, Sistemi, e Società al MIT. "Oppure immagina i dispositivi medici come una piccola pillola che ingoi, che può navigare in modo intelligente con pochissima batteria in modo che non si surriscaldi nel tuo corpo. I chip che stiamo costruendo possono aiutare in tutto questo".

I coautori di Sze e Karaman sono lo studente laureato EECS Amr Suleiman, chi è l'autore principale; Zhengdong Zhang, studente laureato EECS; e Luca Carlone, che era un ricercatore durante il progetto ed è ora assistente professore presso il Dipartimento di aeronautica e astronautica del MIT.

Un chip flessibile

Negli ultimi anni, più gruppi di ricerca hanno progettato droni in miniatura abbastanza piccoli da stare nel palmo della tua mano. Gli scienziati prevedono che veicoli così piccoli possano volare in giro e scattare foto dell'ambiente circostante, come fotografi o geometri dalle dimensioni di una zanzara, prima di tornare nel tuo palmo, dove possono essere facilmente riposti.

Ma un drone palmare può trasportare solo così tanta carica della batteria, la maggior parte serve per far volare i suoi motori, lasciando pochissima energia per altre operazioni essenziali, come la navigazione, e, in particolare, stima dello stato, o la capacità di un robot di determinare dove si trova nello spazio.

"Nella robotica tradizionale, prendiamo i computer standard esistenti e implementiamo su di essi algoritmi di [stima dello stato], perché di solito non dobbiamo preoccuparci del consumo energetico, " dice Karaman. "Ma in ogni progetto che ci richiede di miniaturizzare applicazioni a bassa potenza, ora dobbiamo pensare alle sfide della programmazione in un modo molto diverso".

Nel loro lavoro precedente, Sze e Karaman hanno iniziato ad affrontare tali problemi combinando algoritmi e hardware in un unico chip. Il loro progetto iniziale è stato implementato su un gate array programmabile sul campo, o FPGA, una piattaforma hardware commerciale che può essere configurata per una determinata applicazione. Il chip è stato in grado di eseguire la stima dello stato utilizzando 2 watt di potenza, rispetto a quelli più grandi, droni standard che in genere richiedono da 10 a 30 watt per eseguire le stesse attività. Ancora, il consumo energetico del chip era maggiore della quantità totale di energia che i droni in miniatura possono normalmente trasportare, che i ricercatori stimano in circa 100 milliwatt.

Per restringere ulteriormente il chip, sia nelle dimensioni che nel consumo energetico, il team ha deciso di costruire un chip da zero invece di riconfigurare un progetto esistente. "Questo ci ha dato molta più flessibilità nella progettazione del chip, " dice Sz.

Correre nel mondo

Per ridurre il consumo energetico del chip, il gruppo ha ideato un progetto per ridurre al minimo la quantità di dati, sotto forma di immagini della telecamera e misurazioni inerziali, che vengono archiviati sul chip in un dato momento. Il design ottimizza anche il modo in cui questi dati fluiscono attraverso il chip.

"Qualsiasi delle immagini che avremmo temporaneamente memorizzato sul chip, abbiamo effettivamente compresso in modo da richiedere meno memoria, " dice Sze, che è un membro del Laboratorio di Ricerca di Elettronica al MIT. Il team ha anche ridotto le operazioni estranee, come il calcolo degli zeri, che risulta in zero. I ricercatori hanno trovato un modo per saltare quei passaggi computazionali che coinvolgono eventuali zeri nei dati. "Questo ci ha permesso di evitare di dover elaborare e memorizzare tutti quegli zeri, in modo da poter eliminare un sacco di spazio di archiviazione e cicli di calcolo non necessari, che riduce le dimensioni e la potenza del chip, e aumenta la velocità di elaborazione del chip, " dice Sz.

Attraverso il loro design, il team è stato in grado di ridurre la memoria del chip dai suoi precedenti 2 megabyte, a circa 0,8 megabyte. Il team ha testato il chip su set di dati raccolti in precedenza generati da droni che volano attraverso più ambienti, come uffici e spazi di tipo magazzino.

"Mentre abbiamo personalizzato il chip per l'elaborazione a bassa potenza e alta velocità, lo abbiamo anche reso sufficientemente flessibile in modo che possa adattarsi a questi diversi ambienti per un ulteriore risparmio energetico, " Sze dice. "La chiave è trovare l'equilibrio tra flessibilità ed efficienza." Il chip può anche essere riconfigurato per supportare diverse fotocamere e sensori di unità di misura inerziale (IMU).

Da questi test, i ricercatori hanno scoperto di essere in grado di ridurre il consumo energetico del chip da 2 watt a 24 milliwatt, e che questo era sufficiente per alimentare il chip per elaborare le immagini a 171 fotogrammi al secondo, una velocità persino più veloce di quella prevista dai set di dati.

Il team prevede di dimostrare il suo design implementando il suo chip su un'auto da corsa in miniatura. Mentre uno schermo visualizza il video in diretta di una telecamera di bordo, i ricercatori sperano anche di mostrare il chip determinando dove si trova nello spazio, in tempo reale, così come la quantità di energia che utilizza per eseguire questo compito. Infine, il team prevede di testare il chip su un vero drone, e infine su un drone in miniatura.