Chercheurs du MIT, qui a conçu l'année dernière une minuscule puce informatique conçue pour aider les drones de la taille d'une abeille à naviguer, ont maintenant encore réduit la conception de leur puce, en taille et en consommation électrique.

L'équipe, co-dirigé par Vivienne Sze, professeur agrégé au Département de génie électrique et informatique (EECS) du MIT, et Sertac Karaman, la promotion de 1948 professeur agrégé de développement de carrière d'aéronautique et d'astronautique, construit une puce entièrement personnalisée à partir de zéro, en mettant l'accent sur la réduction de la consommation d'énergie et de la taille tout en augmentant la vitesse de traitement.

La nouvelle puce informatique, nommé "Navion, " qu'ils présentent cette semaine aux Symposiums sur la technologie et les circuits VLSI, ne mesure que 20 millimètres carrés, soit à peu près la taille de l'empreinte d'une figurine LEGO, et ne consomme que 24 milliwatts d'énergie, ou environ un millième de l'énergie nécessaire pour alimenter une ampoule.

En utilisant cette petite quantité d'énergie, la puce est capable de traiter en temps réel des images de caméra jusqu'à 171 images par seconde, ainsi que des mesures inertielles, les deux qu'il utilise pour déterminer où il se trouve dans l'espace. Les chercheurs disent que la puce peut être intégrée dans des "nanodrones" aussi petits qu'un ongle, pour aider les véhicules à naviguer, en particulier dans les endroits éloignés ou inaccessibles où les données satellitaires de positionnement global ne sont pas disponibles.

La conception de la puce peut également être exécutée sur n'importe quel petit robot ou appareil qui doit naviguer sur de longues périodes avec une alimentation électrique limitée.

"Je peux imaginer appliquer cette puce à la robotique basse énergie, comme des véhicules aux ailes battantes de la taille de votre ongle, ou des véhicules plus légers que l'air comme des ballons météo, qui doivent fonctionner pendant des mois sur une seule batterie, " dit Karaman, qui est membre du Laboratoire des systèmes d'information et de décision et de l'Institut des données, Systèmes, et la société au MIT. "Ou imaginez des dispositifs médicaux comme une petite pilule que vous avalez, qui peut naviguer de manière intelligente avec très peu de batterie afin de ne pas surchauffer dans votre corps. Les puces que nous construisons peuvent aider avec tout cela. »

Les co-auteurs de Sze et Karaman sont Amr Suleiman, étudiant diplômé de l'EECS, qui est l'auteur principal ; Zhengdong Zhang, étudiant diplômé de l'EECS; et Luca Carlone, qui était chercheur pendant le projet et est maintenant professeur adjoint au département d'aéronautique et d'astronautique du MIT.

Une puce flexible

Au cours des dernières années, plusieurs groupes de recherche ont conçu des drones miniatures suffisamment petits pour tenir dans la paume de votre main. Les scientifiques imaginent que des véhicules aussi minuscules peuvent voler et prendre des photos de votre environnement, comme des photographes ou des géomètres de la taille d'un moustique, avant de retomber dans votre paume, où ils peuvent ensuite être facilement rangés.

Mais un drone de la taille d'une paume ne peut transporter qu'une quantité limitée de batterie, dont la plupart sert à faire voler ses moteurs, laissant très peu d'énergie pour d'autres opérations essentielles, comme la navigation, et, en particulier, estimation d'état, ou la capacité d'un robot à déterminer où il se trouve dans l'espace.

« En robotique traditionnelle, nous prenons des ordinateurs du commerce existants et y implémentons des algorithmes [d'estimation d'état], parce que nous n'avons généralement pas à nous soucier de la consommation d'énergie, ", dit Karaman. "Mais dans chaque projet qui nous oblige à miniaturiser les applications à faible consommation, nous devons maintenant penser aux défis de la programmation d'une manière très différente."

Dans leurs précédents travaux, Sze et Karaman ont commencé à résoudre ces problèmes en combinant des algorithmes et du matériel dans une seule puce. Leur conception initiale a été mise en œuvre sur un réseau de portes programmable sur le terrain, ou FPGA, une plate-forme matérielle commerciale qui peut être configurée pour une application donnée. La puce a pu effectuer une estimation d'état en utilisant 2 watts de puissance, par rapport à plus grand, drones standard qui nécessitent généralement 10 à 30 watts pour effectuer les mêmes tâches. Toujours, la consommation d'énergie de la puce était supérieure à la quantité totale d'énergie que les drones miniatures peuvent généralement transporter, que les chercheurs estiment à environ 100 milliwatts.

Pour réduire davantage la puce, en taille et en consommation d'énergie, l'équipe a décidé de construire une puce à partir de zéro plutôt que de reconfigurer une conception existante. "Cela nous a donné beaucoup plus de flexibilité dans la conception de la puce, " dit Sze.

Courir dans le monde

Pour réduire la consommation d'énergie de la puce, le groupe a proposé une conception pour minimiser la quantité de données - sous la forme d'images de caméra et de mesures inertielles - qui sont stockées sur la puce à un moment donné. La conception optimise également la manière dont ces données circulent sur la puce.

"N'importe laquelle des images que nous aurions temporairement stockées sur la puce, nous avons en fait compressé donc cela a nécessité moins de mémoire, " dit Sze, qui est membre du Laboratoire de recherche en électronique du MIT. L'équipe a également réduit les opérations superflues, comme le calcul des zéros, ce qui donne un zéro. Les chercheurs ont trouvé un moyen de sauter ces étapes de calcul impliquant des zéros dans les données. "Cela nous a permis d'éviter d'avoir à traiter et stocker tous ces zéros, afin que nous puissions éliminer beaucoup de cycles de stockage et de calcul inutiles, ce qui réduit la taille et la puissance de la puce, et augmente la vitesse de traitement de la puce, " dit Sze.

Par leur conception, l'équipe a réussi à réduire la mémoire de la puce de ses 2 mégaoctets précédents, à environ 0,8 mégaoctet. L'équipe a testé la puce sur des ensembles de données précédemment collectés générés par des drones volant dans plusieurs environnements, tels que des espaces de type bureaux et entrepôts.

"Alors que nous avons personnalisé la puce pour un traitement à faible consommation et à grande vitesse, nous l'avons également rendu suffisamment flexible pour qu'il puisse s'adapter à ces différents environnements pour des économies d'énergie supplémentaires, " dit Sze. " La clé est de trouver l'équilibre entre flexibilité et efficacité. " La puce peut également être reconfigurée pour prendre en charge différentes caméras et capteurs d'unité de mesure inertielle (IMU).

A partir de ces tests, les chercheurs ont découvert qu'ils étaient capables de réduire la consommation d'énergie de la puce de 2 watts à 24 milliwatts, et que cela suffisait à alimenter la puce pour traiter les images à 171 images par seconde, un taux encore plus rapide que ce que les ensembles de données projetaient.

L'équipe prévoit de démontrer sa conception en implantant sa puce sur une voiture de course miniature. Alors qu'un écran affiche la vidéo en direct d'une caméra embarquée, les chercheurs espèrent également montrer la puce déterminant où elle se trouve dans l'espace, en temps réel, ainsi que la quantité d'énergie qu'il utilise pour effectuer cette tâche. Finalement, l'équipe prévoit de tester la puce sur un vrai drone, et finalement sur un drone miniature.