Investigadores del MIT, que el año pasado diseñó un pequeño chip de computadora diseñado para ayudar a los drones del tamaño de una abeja a navegar, ahora han reducido aún más el diseño de su chip, tanto en tamaño como en consumo de energía.

El equipo, codirigido por Vivienne Sze, profesor asociado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática (EECS) del MIT, y Sertac Karaman, el Profesor Asociado de Desarrollo de Carrera de la Clase de 1948 de Aeronáutica y Astronáutica, construyó un chip totalmente personalizado desde cero, con un enfoque en reducir el consumo de energía y el tamaño al mismo tiempo que aumenta la velocidad de procesamiento.

El nuevo chip de computadora, llamado "Navion, "que están presentando esta semana en los Simposios sobre Tecnología y Circuitos VLSI, mide solo 20 milímetros cuadrados, aproximadamente el tamaño de la huella de una minifigura LEGO, y consume solo 24 milivatios de energía, o aproximadamente una milésima parte de la energía necesaria para encender una bombilla.

Usando esta pequeña cantidad de poder, el chip puede procesar imágenes de la cámara en tiempo real a una velocidad de hasta 171 fotogramas por segundo, así como mediciones inerciales, ambos de los cuales usa para determinar dónde está en el espacio. Los investigadores dicen que el chip se puede integrar en "nanodrones" tan pequeños como una uña, para ayudar a los vehículos a navegar, particularmente en lugares remotos o inaccesibles donde los datos satelitales de posicionamiento global no están disponibles.

El diseño del chip también se puede ejecutar en cualquier pequeño robot o dispositivo que necesite navegar durante largos períodos de tiempo con una fuente de alimentación limitada.

"Me imagino aplicando este chip a la robótica de baja energía, como vehículos aleteando del tamaño de una uña, o vehículos más ligeros que el aire como globos meteorológicos, que tienen que funcionar durante meses con una sola batería, "dice Karaman, quien es miembro del Laboratorio de Sistemas de Información y Decisiones y del Instituto de Datos, Sistemas y Sociedad en MIT. "O imagina dispositivos médicos como una pastilla que tragas, que puede navegar de forma inteligente con muy poca batería para que no se sobrecaliente en su cuerpo. Los chips que estamos construyendo pueden ayudar con todo esto ".

Los coautores de Sze y Karaman son el estudiante graduado de EECS Amr Suleiman, quién es el autor principal; El estudiante de posgrado de EECS, Zhengdong Zhang; y Luca Carlone, quien fue científico investigador durante el proyecto y ahora es profesor asistente en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica del MIT.

Un chip flexible

En los años pasados, Múltiples grupos de investigación han diseñado drones en miniatura lo suficientemente pequeños como para caber en la palma de su mano. Los científicos imaginan que vehículos tan diminutos pueden volar y tomar fotografías de su entorno, como fotógrafos o topógrafos del tamaño de un mosquito, antes de aterrizar de nuevo en tu palma, donde luego se pueden guardar fácilmente.

Pero un dron del tamaño de la palma de la mano solo puede transportar cierta cantidad de energía de la batería, la mayor parte se utiliza para hacer volar sus motores, dejando muy poca energía para otras operaciones esenciales, como la navegación, y, en particular, estimación del estado, o la capacidad de un robot para determinar dónde está en el espacio.

"En robótica tradicional, Tomamos las computadoras estándar existentes e implementamos algoritmos de [estimación de estado] en ellas, porque normalmente no tenemos que preocuparnos por el consumo de energía, ", Dice Karaman." Pero en cada proyecto que requiere que miniaturicemos aplicaciones de bajo consumo, ahora tenemos que pensar en los desafíos de la programación de una manera muy diferente ".

En su trabajo anterior, Sze y Karaman comenzaron a abordar estos problemas combinando algoritmos y hardware en un solo chip. Su diseño inicial se implementó en una matriz de puertas programable en campo, o FPGA, una plataforma de hardware comercial que se puede configurar para una aplicación determinada. El chip pudo realizar una estimación de estado utilizando 2 vatios de potencia, en comparación con los más grandes, drones estándar que normalmente requieren de 10 a 30 vatios para realizar las mismas tareas. Todavía, el consumo de energía del chip era mayor que la cantidad total de energía que los drones en miniatura pueden transportar normalmente, que los investigadores estiman en unos 100 milivatios.

Para encoger aún más el chip, tanto en tamaño como en consumo de energía, el equipo decidió construir un chip desde cero en lugar de reconfigurar un diseño existente. "Esto nos dio mucha más flexibilidad en el diseño del chip, "Dice Sze.

Corriendo en el mundo

Para reducir el consumo de energía del chip, el grupo ideó un diseño para minimizar la cantidad de datos, en forma de imágenes de cámara y mediciones inerciales, que se almacenan en el chip en un momento dado. El diseño también optimiza la forma en que estos datos fluyen a través del chip.

"Cualquiera de las imágenes que hubiéramos almacenado temporalmente en el chip, en realidad comprimimos, por lo que requirió menos memoria, "dice Sze, quien es miembro del Laboratorio de Investigación de Electrónica del MIT. El equipo también redujo las operaciones extrañas, como el cálculo de ceros, lo que da como resultado un cero. Los investigadores encontraron una manera de omitir esos pasos computacionales que involucran ceros en los datos. "Esto nos permitió evitar tener que procesar y almacenar todos esos ceros, para que podamos eliminar una gran cantidad de ciclos de almacenamiento y cálculo innecesarios, lo que reduce el tamaño y la potencia del chip, y aumenta la velocidad de procesamiento del chip, "Dice Sze.

A través de su diseño, el equipo pudo reducir la memoria del chip de sus 2 megabytes anteriores, a aproximadamente 0,8 megabytes. El equipo probó el chip en conjuntos de datos recopilados previamente generados por drones que vuelan a través de múltiples entornos. como espacios tipo oficina y almacén.

"Aunque personalizamos el chip para un procesamiento de baja potencia y alta velocidad, también lo hicimos lo suficientemente flexible para que pueda adaptarse a estos diferentes entornos para ahorrar energía adicional, "Dice Sze." La clave es encontrar el equilibrio entre flexibilidad y eficiencia ". El chip también se puede reconfigurar para admitir diferentes cámaras y sensores de unidad de medición inercial (IMU).

De estas pruebas, los investigadores descubrieron que podían reducir el consumo de energía del chip de 2 vatios a 24 milivatios, y que esto era suficiente para que el chip procesara imágenes a 171 fotogramas por segundo, una velocidad que era incluso más rápida de lo que proyectaban los conjuntos de datos.

El equipo planea demostrar su diseño implementando su chip en un auto de carreras en miniatura. Mientras una pantalla muestra el video en vivo de una cámara integrada, los investigadores también esperan mostrar el chip que determina dónde está en el espacio, en tiempo real, así como la cantidad de energía que utiliza para realizar esta tarea. Finalmente, el equipo planea probar el chip en un dron real, y finalmente en un dron en miniatura.