超低功耗芯片有助于使小型機器人更加強大

一個受大腦啟發(fā)的超低功耗混合芯片可以幫助手掌大小的機器人協(xié)作并從他們的經(jīng)驗中學(xué)習(xí)。結(jié)合新一代的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 - 可以幫助智能群機器人運行數(shù)小時而不是幾分鐘。

為了節(jié)省功率，芯片使用混合數(shù)字模擬時域處理器，其中信號的脈沖寬度編碼信息。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)IC適用于基于模型的編程和協(xié)作強化學(xué)習(xí)，可能為小型機器人提供更大的偵察，搜救和其他任務(wù)能力。

佐治亞理工學(xué)院的研究人員在2019年IEEE國際固態(tài)電路會議(ISSCC)上展示了由獨特的ASIC驅(qū)動的機器人汽車。該研究由國防高級研究計劃局(DARPA)和半導(dǎo)體研究公司(SRC)通過腦啟發(fā)計算能力自主智能中心(CBRIC)贊助。

佐治亞理工學(xué)院電氣與計算機工程學(xué)院副教授Arijit Raychowdhury表示：“我們正在努力為這些非常小的機器人提供智能，以便他們能夠了解自己的環(huán)境，并在沒有基礎(chǔ)設(shè)施的情況下自主移動。” “為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們希望將低功耗電路概念引入這些非常小的設(shè)備，以便他們自己做出決策。對非常小但功能強大的機器人的需求很大，而這些機器人不需要基礎(chǔ)設(shè)施。”

Raychowdhury和研究生Ningyuan Cao，Muya Chang和Anupam Golder展示的汽車穿過橡膠墊覆蓋的競技場，周圍是紙板砌塊墻。當(dāng)他們搜索目標(biāo)時，機器人必須避開交通錐和彼此，在環(huán)境中學(xué)習(xí)并不斷地相互通信。

汽車使用慣性和超聲波傳感器來確定它們的位置并檢測它們周圍的物體。來自傳感器的信息傳遞到混合ASIC，后者充當(dāng)車輛的“大腦”。然后說明指向Raspberry Pi控制器，該控制器向電動機發(fā)送指令。

在手掌大小的機器人中，三個主要系統(tǒng)消耗功率：用于驅(qū)動和操縱車輪的電機和控制器，處理器和傳感系統(tǒng)。在Raychowdhury團(tuán)隊制造的汽車中，低功耗ASIC意味著電機消耗大部分功率。“我們已經(jīng)能夠?qū)⒂嬎隳芰档偷筋A(yù)算主要受電機需求支配的水平，”他說。

該團(tuán)隊正在與使用微機電(MEMS)技術(shù)的電機合作者合作，該技術(shù)能夠以比傳統(tǒng)電機更低的功率運行。

“我們希望建立一個系統(tǒng)，其中傳感功率，通信和計算機功率以及驅(qū)動處于大約相同的水平，大約數(shù)百毫瓦，”Raychowdhury說，他是安森美半導(dǎo)體的安森美半導(dǎo)體副教授。電氣與計算機工程。“如果我們可以使用高效的電機和控制器來構(gòu)建這些手掌大小的機器人，我們應(yīng)該能夠在幾節(jié)AA電池上提供幾個小時的運行時間。我們現(xiàn)在很清楚我們需要提供什么樣的計算平臺，但是我們?nèi)匀恍枰渌M件趕上來。“

在時域計算中，信息在兩個不同的電壓上傳送，以脈沖的寬度編碼。這為電路提供了模擬電路的能效優(yōu)勢和數(shù)字設(shè)備的穩(wěn)健性。

“芯片的尺寸減少了一半，功耗是傳統(tǒng)數(shù)字芯片需要的三分之一，”Raychowdhury說。“我們在邏輯和存儲器設(shè)計中使用了多種技術(shù)，將功耗降低到毫瓦范圍，同時滿足目標(biāo)性能。”

由于每個脈沖寬度代表不同的值，系統(tǒng)比數(shù)字或模擬設(shè)備慢，但Raychowdhury說速度對于小型機器人來說已經(jīng)足夠了。(毫瓦是萬分之一瓦特)。

“對于這些控制系統(tǒng)，我們不需要工作在幾千兆赫茲的電路，因為設(shè)備移動速度不快，”他說。“我們正在犧牲一點性能以獲得極高的功率效率。即使計算器工作在10或100兆赫茲，這對我們的目標(biāo)應(yīng)用來說也足夠了。”

65納米CMOS芯片適用于適合機器人的兩種學(xué)習(xí)方式。該系統(tǒng)可以編程為遵循基于模型的算法，并且可以使用強化系統(tǒng)從其環(huán)境中學(xué)習(xí)，該系統(tǒng)可以隨著時間推移獲得更好和更好的性能 - 就像通過碰撞事物學(xué)會走路的孩子一樣。

Raychowdhury說：“你在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中使用一組預(yù)定的權(quán)重啟動系統(tǒng)，這樣機器人就可以從一個好的地方開始，不會立即崩潰或提供錯誤的信息。” “當(dāng)你在一個新的位置部署它時，環(huán)境將有一些它將識別的結(jié)構(gòu)，一些系統(tǒng)將不得不學(xué)習(xí)。系統(tǒng)將自己做出決定，它將衡量每個決定的有效性。優(yōu)化它的動作。“

機器人之間的通信允許他們協(xié)作以尋找目標(biāo)。

“在協(xié)作環(huán)境中，機器人不僅需要了解它在做什么，還要了解同一組中的其他人正在做什么，”他說。“他們將致力于最大化團(tuán)體的總獎勵，而不是個人的獎勵。”

隨著他們的ISSCC演示提供概念驗證，該團(tuán)隊正在繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計，并正在開發(fā)片上系統(tǒng)以集成計算和控制電路。

“我們希望在這些小型機器人中實現(xiàn)越來越多的功能，”Raychowdhury補充道。“我們已經(jīng)展示了什么是可能的，而我們所做的事情現(xiàn)在需要通過其他創(chuàng)新來加強。”