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超低功耗芯片有助于讓小型機器人更有能力

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超低功耗芯片有助于讓小型機器人更有能力

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受大腦啟發的超低功耗混合芯片可以幫助手掌大小的機器人進行協作，并從他們的經驗中學習 。結合新一代低功率電機和傳感器，新的專用集成電路(ASIC)——以毫瓦功率運行——可以幫助智能群體機器人運行數小時而不是數分鐘 。
為了省電，該芯片采用了混合數模時域處理器，其中信號的脈沖寬度對信息進行編碼 。神經網絡集成電路適用于基于模型的編程和協同強化學習，可能為小型機器人提供更大的偵察、搜索和救援等任務 。
佐治亞理工學院的研究人員在2019年的IEEE國際固態電路會議(ISSCC)上展示了一種由獨特的專用集成電路驅動的機器人汽車 。這項研究由美國國防高級研究計劃局(DARPA)和半導體研究公司(SRC)通過大腦啟發計算能力自主智能中心(CBRIC)贊助 。
佐治亞理工學院電氣與計算機工程學院副教授ArijitRaychowdhury說：“我們正在努力為這些非常小的機器人提供智能，讓它們能夠了解自己的環境，在沒有基礎設施的情況下自主移動 ?！薄盀榱藢崿F這一目標，我們希望在這些非常小的設備中引入低功耗電路的概念，這樣它們就可以自己做出決定 。對需要基礎設施的非常小但功能強大的機器人有很大的需求 ?！?br /> 雷喬杜里和研究生曹寧遠、張木雅和阿努帕姆高德(AnupamGolder)展示了汽車穿過一個覆蓋著橡膠墊的競技?。?周圍是紙板墻 。機器人在尋找目標時，必須避開交通錐和彼此 ， 在環境中學習，不斷地相互交流 。
汽車慣性和超聲波傳感器被用來確定它們的位置并探測它們周圍的物體 。來自傳感器的信息被傳輸到混合專用集成電路，后者充當車輛的“大腦” 。然后描述指向樹莓Pi控制器，它向電機發送指令 。
在手掌大小的機器人中，有三個主要系統消耗能量：驅動和轉向車輪的電機和控制器、處理器和傳感系統 。在Raychowdhury團隊制造的汽車中，低功率ASIC意味著電機消耗大部分功率 ?！拔覀円呀浤軌驅⒂嬎隳芰档偷筋A算主要由汽車需求主導的水平，”他說 。
該團隊正在與使用微機電(MEMS)技術的電機合作伙伴合作，該技術可以以比傳統電機更低的功率運行 。
安森美半導體副教授Raychowdhury說：“我們希望建立一個系統，使傳感功率、通信和計算機功率與驅動功率處于大致相同的水平，大約幾百毫瓦 。電氣和計算機工程 ?！叭绻覀兡軌蚴褂酶咝У碾姍C和控制器來制造這些手掌大小的機器人 ， 我們應該能夠在幾節AA電池上提供幾個小時的運行時間 ?，F在我們知道我們需要提供什么樣的計算平臺，但我們仍然需要其他組件來趕上 ?！?br /> 在時域計算中，信息以兩種不同的電壓傳輸，并用脈沖寬度編碼 。這為電路提供了模擬電路的能量效率和數字設備的魯棒性的優點 。
Raychowdhury說：“芯片的尺寸縮小了一半，功耗是傳統數字芯片所需的三分之一 ?！拔覀冊谶壿嫼蛢却嬖O計中使用了多種技術，將功耗降至毫瓦，同時達到目標性能 ?！?br /> 因為每個脈沖寬度代表不同的值，所以系統比數字或模擬設備慢，但Raychowdhury說，這個速度對于小型機器人來說已經足夠了 。毫瓦是萬分之一瓦 。
“對于這些控制系統，我們不需要工作在幾千兆赫的電路，因為設備移動不快，”他說 ?！拔覀儬奚艘稽c性能來實現極高的能效 。即使計算機在10或100 MHz下工作，這對我們的目標應用來說也足夠了 ?！?。
65nmCMOS芯片適合兩種適合機器人的學習模式 。該系統可以被編程為遵循基于模型的算法 ， 并且可以使用增強的系統從其環境中學習，這可以隨著時間的推移促進越來越好的性能——就像一個通過碰撞東西來學習走路的孩子一樣 。
Raychowdhury說：“你使用神經網絡中的一組預定權重來啟動系統 ， 這樣機器人就可以從一個好的地方開始，而不會立即崩潰或提供錯誤的信息 ?！薄爱斈鷮⑺渴鹪谝粋€新的位置時 ， 環境會有一些它會識別的結構，以及一些系統必須學習的結構 。然后，系統將做出自己的決策，并評估每個決策的有效性，以優化其行動 ?！?br /> 機器人之間的通信使它們能夠合作尋找目標 。
他說：“在協作環境中，機器人不僅需要知道自己在做什么，還需要知道同組的其他人在做什么 ?！八麄儠崿F群體總回報最大化，而不是個人回報最大化 ?！?br /> 由于他們的ISSCC演示提供了概念證明，該團隊正在繼續優化設計，并正在開發集成計算和控制電路的片上系統 。
【超低功耗芯片有助于讓小型機器人更有能力】“我們希望在這些小型機器人中實現越來越多的功能，”Raychowdhury補充道 。“我們已經展示了什么是可能的，我們現在正在做的需要通過其他創新來加強 。”