超低功耗ASIC驚艷ISSCC，讓機(jī)器人小車跑幾分鐘和幾個小時的差別

近日，科學(xué)家研發(fā)成功一款超低功耗混合信號芯片，該芯片的設(shè)計靈感來自對人類大腦的認(rèn)識，可以幫助手掌大小的機(jī)器人協(xié)同工作，并從經(jīng)驗中學(xué)習(xí)。結(jié)合新一代的低功耗電機(jī)和傳感器，該 ASIC 以毫瓦功率運(yùn)行，從而可以將單節(jié)干電池供電智能機(jī)器人的運(yùn)行時間從幾分鐘提高到數(shù)小時。

佐治亞理工學(xué)院的研究人員研發(fā)成功一款超低功耗混合信號芯片，該芯片的設(shè)計靈感來自對人類大腦的認(rèn)識，可以幫助手掌大小的機(jī)器人協(xié)同工作，并從經(jīng)驗中學(xué)習(xí)。

為了節(jié)省功耗，該芯片使用了混合了數(shù)字模擬信號的時域處理器，采用信號的脈沖寬度對信息進(jìn)行編碼。該神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) IC 不僅可以適用于基于模型的編程應(yīng)用，也具備協(xié)作能力，可以強(qiáng)化自我學(xué)習(xí)。它賦予了小型機(jī)器人更大的偵查、搜救以及執(zhí)行其它任務(wù)的能力。

佐治亞理工學(xué)院的研究人員在 2019 年的 IEEE 國際固態(tài)電路會議（ISSCC）上展示了一款搭載了該獨特 ASIC 的機(jī)器人小車。這項研究的贊助者包括國防部高級研究計劃局（DARPA）、半導(dǎo)體研究組織（SRC）和基于大腦啟發(fā)運(yùn)算的自主智能研究中心（CBRIC）。

在試驗場中放置了一個由該超低功耗混合信號芯片控制的機(jī)器人小車，以展示它的自我學(xué)習(xí)能力以及它和另一個機(jī)器人小車協(xié)作的能力。

佐治亞理工學(xué)院電氣與計算機(jī)工程學(xué)院副教授 Arijit Raychowdhury 表示：“我們正在努力賦予這些非常小的機(jī)器人智能，以便它們可以了解自己周遭的環(huán)境，并在沒有基礎(chǔ)設(shè)施的幫助下自主移動。為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，我們將低功耗電路的概念引入到這些非常小的設(shè)備中，讓它們自己做出決策?，F(xiàn)在的市場上，對無需基礎(chǔ)設(shè)施就能自主運(yùn)行的非常小但功能強(qiáng)大的機(jī)器人的需求非常龐大。”

Raychowdhury 和他的研究生 Ningyuan Cao、Muya Chang 和 Anupam Golder 展示的汽車要穿過一個由橡膠墊覆蓋著的試驗場地，周圍擋著紙板墻。當(dāng)這些機(jī)器人小車搜索目標(biāo)時，它們必須避開交通路障，并避免彼此相撞，它們在這個環(huán)境中不斷學(xué)習(xí)并相互通信。

機(jī)器人小車使用慣性傳感器和超聲波傳感器來確定自己的位置，并檢測周圍的物體。傳感器信息被傳遞到混合信號 ASIC 中，該 ASIC 是機(jī)器人小車的大腦。指令發(fā)送到樹莓派控制器，該控制器向電動馬達(dá)發(fā)送指令。

在手掌大小額機(jī)器人小車中，主要有三個子系統(tǒng)在消耗功率：用于驅(qū)動和操縱車輪的電機(jī)及其控制器、處理器和傳感系統(tǒng)。在 Raychowdhury 和他的團(tuán)隊設(shè)計的機(jī)器人小車中，處理器的低功耗特性意味著大部分功率是由電機(jī)消耗掉的?！拔覀儗?ASIC 的計算能力降低，從而降低了其功耗，使得功耗預(yù)算主要受到電機(jī)功率需求的支配?！彼f。

佐治亞理工學(xué)院的團(tuán)隊正在與使用微機(jī)電技術(shù)的電機(jī)從業(yè)者合作，以提高電機(jī)的功率密度。

“我們希望打造一個系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，傳感子系統(tǒng)、通信和計算單元、驅(qū)動模塊的功率大致都處于幾百毫瓦左右的功率水平上?！盧aychowdhury 說，這位佐治亞理工學(xué)院的副教授同時也是安森美半導(dǎo)體的技術(shù)顧問?！叭绻覀兡軌蚴褂酶咝У碾姍C(jī)和控制器來制造這些手掌大小的機(jī)器人，那么我們就可以在幾節(jié) AA 電池供電的情況下運(yùn)行好幾個小時。我們很清楚需要一個什么樣的計算平臺，但是除了計算 IC，還需要其它組件的配合?！?/p>

在時域計算中，以不同的電壓水平代表不同的信息，它是以脈沖寬度的形式進(jìn)行編碼的。這種方式結(jié)合了模擬電路的高能效特點和數(shù)字器件的穩(wěn)健性。

“和傳統(tǒng)的數(shù)字芯片相比，該芯片尺寸減少了一半，功耗下降為原來的三分之一，”Raychowdhury 說。 “我們在邏輯電路和存儲器的設(shè)計中使用了多種技術(shù)，將功耗降低到了毫瓦范圍，同時還能滿足目標(biāo)性能?！?/p>

鑒于是采用不同的脈沖寬度表示不同的值，該系統(tǒng)比單純的數(shù)字器件后者模擬器件都慢。但是 Raychowdhury 表示，這種速度對于小型機(jī)器人來說已經(jīng)足夠快樂。

“對于這些控制系統(tǒng)而言，我們不需要那種運(yùn)行頻率在幾千兆赫茲的電路，因為機(jī)器人本身的移動速度就不快，”他說。“我們犧牲了一點性能，以獲得極高的電源效率。即使工作在 10MHz 或者 100MHz，對于我們的目標(biāo)應(yīng)用來說也足夠快了?！?/p>

這款 CMOS 芯片基于 65 納米工藝打造，適用于機(jī)器人的兩種學(xué)習(xí)模式。其一，該系統(tǒng)可以通過編程執(zhí)行基于固定模型的算法，其次，它可以自我強(qiáng)化，從環(huán)境中學(xué)習(xí)。隨著時間的推移，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)越來越好的性能，就像蹣跚學(xué)步的孩子磕磕絆絆地慢慢學(xué)會走路一樣。

Raychowdhury 說：“在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，你先使用一組預(yù)定的權(quán)重來啟動系統(tǒng)，這樣機(jī)器人就可以正常啟動，而不會立即崩潰或者提供錯誤信息。當(dāng)你在新的位置部署它后，周遭的環(huán)境就發(fā)生了變化，但是環(huán)境本身會有一些該機(jī)器人能夠識別進(jìn)而學(xué)習(xí)的結(jié)構(gòu)。然后系統(tǒng)就自行做出決定，評估每項決策的有效性，以優(yōu)化它的后續(xù)動作?！?/p>

機(jī)器人之間可以互相通信，這可以使它們協(xié)同工作以尋找一個目標(biāo)?！霸诨ハ鄥f(xié)作的團(tuán)隊共同面對的相同環(huán)境中，機(jī)器人不僅需要了解自己在做什么，還要知道團(tuán)隊中的其它同志在干什么?！彼f，“它們將致力于實現(xiàn)團(tuán)體利益的最大化，而不是著眼于自己?！?/p>

佐治亞理工學(xué)院的研究團(tuán)隊在國際固態(tài)電路會議上進(jìn)行了概念驗證之后，還在繼續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，并正在開發(fā)可以集成計算單元和控制電路的片上系統(tǒng)?！拔覀兿Ｍ谶@些小型的機(jī)器人中實現(xiàn)越來越多的功能，”Raychowdhury 補(bǔ)充道，“我們已經(jīng)展示了它現(xiàn)在能干什么，我們現(xiàn)在所做的事情就是通過其它創(chuàng)新進(jìn)一步增強(qiáng)它的能力?！?/p>

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