Pesquisadores do MIT, que no ano passado projetou um minúsculo chip de computador feito sob medida para ajudar drones do tamanho de abelhas a navegar, agora encolheram ainda mais o design do chip, em tamanho e consumo de energia.

O time, co-liderado por Vivienne Sze, professor associado do Departamento de Engenharia Elétrica e Ciência da Computação (EECS) do MIT, e Sertac Karaman, a Classe de 1948, Professor Associado de Desenvolvimento de Carreira de Aeronáutica e Astronáutica, construiu um chip totalmente personalizado do zero, com foco na redução do consumo de energia e tamanho, ao mesmo tempo em que aumenta a velocidade de processamento.

O novo chip de computador, chamado "Navion, "que eles estão apresentando esta semana nos Simpósios sobre Tecnologia e Circuitos VLSI, tem apenas 20 milímetros quadrados - aproximadamente o tamanho da pegada de uma minifigura LEGO - e consome apenas 24 miliwatts de energia, ou cerca de um milésimo da energia necessária para alimentar uma lâmpada.

Usando esta pequena quantidade de energia, o chip é capaz de processar imagens de câmera em tempo real a até 171 quadros por segundo, bem como medições inerciais, ambos os quais ele usa para determinar onde está no espaço. Os pesquisadores dizem que o chip pode ser integrado em "nanodrones" tão pequenos quanto uma unha, para ajudar os veículos a navegar, particularmente em locais remotos ou inacessíveis, onde os dados de posicionamento global por satélite não estão disponíveis.

O design do chip também pode ser executado em qualquer pequeno robô ou dispositivo que precise navegar por longos períodos de tempo com uma fonte de alimentação limitada.

"Posso imaginar a aplicação deste chip à robótica de baixa energia, como veículos de asas oscilantes do tamanho de uma unha, ou veículos mais leves que o ar, como balões meteorológicos, que duram meses com uma bateria, "diz Karaman, que é membro do Laboratório de Sistemas de Informação e Decisão e do Instituto de Dados, Sistemas, e Sociedade no MIT. "Ou imagine dispositivos médicos como uma pequena pílula que você engole, que pode navegar de forma inteligente com muito pouca bateria para não superaquecer em seu corpo. Os chips que estamos construindo podem ajudar com tudo isso. "

Os co-autores de Sze e Karaman são o estudante de pós-graduação do EECS Amr Suleiman, quem é o autor principal; Zhengdong Zhang, estudante de pós-graduação da EECS; e Luca Carlone, que foi cientista pesquisador durante o projeto e agora é professor assistente no Departamento de Aeronáutica e Astronáutica do MIT.

Um chip flexível

Nos últimos anos, vários grupos de pesquisa desenvolveram drones em miniatura, pequenos o suficiente para caber na palma da sua mão. Os cientistas imaginam que esses veículos minúsculos podem voar e tirar fotos de seus arredores, como fotógrafos ou topógrafos do tamanho de um mosquito, antes de pousar de volta em sua palma, onde eles podem ser facilmente armazenados.

Mas um drone do tamanho da palma da mão só pode carregar uma certa quantidade de energia da bateria, a maior parte é usada para fazer seus motores voarem, deixando muito pouca energia para outras operações essenciais, como navegação, e, em particular, estimativa de estado, ou a capacidade de um robô de determinar onde está no espaço.

"Na robótica tradicional, pegamos os computadores existentes e implementamos algoritmos de estimativa de estado neles, porque geralmente não precisamos nos preocupar com o consumo de energia, "Karaman diz." Mas em cada projeto que exige que miniaturizemos aplicativos de baixo consumo de energia, agora temos que pensar sobre os desafios da programação de uma maneira muito diferente. "

Em seu trabalho anterior, Sze e Karaman começaram a resolver esses problemas combinando algoritmos e hardware em um único chip. Seu projeto inicial foi implementado em uma matriz de portas programáveis ​​em campo, ou FPGA, uma plataforma de hardware comercial que pode ser configurada para um determinado aplicativo. O chip foi capaz de realizar estimativa de estado usando 2 watts de potência, em comparação com maior, drones padrão que normalmente requerem de 10 a 30 watts para realizar as mesmas tarefas. Ainda, o consumo de energia do chip era maior do que a quantidade total de energia que os drones em miniatura podem carregar, que os pesquisadores estimam em cerca de 100 miliwatts.

Para encolher ainda mais o chip, em tamanho e consumo de energia, a equipe decidiu construir um chip do zero, em vez de reconfigurar um design existente. "Isso nos deu muito mais flexibilidade no design do chip, "Sze diz.

Correndo no mundo

Para reduzir o consumo de energia do chip, o grupo criou um projeto para minimizar a quantidade de dados - na forma de imagens de câmera e medições inerciais - que são armazenados no chip a qualquer momento. O design também otimiza a maneira como esses dados fluem pelo chip.

"Qualquer uma das imagens que teríamos temporariamente armazenado no chip, na verdade, comprimimos para que exigisse menos memória, "diz Sze, que é membro do Laboratório de Pesquisa em Eletrônica do MIT. A equipe também reduziu as operações estranhas, como o cálculo de zeros, o que resulta em um zero. Os pesquisadores descobriram uma maneira de pular as etapas computacionais envolvendo quaisquer zeros nos dados. "Isso nos permitiu evitar ter que processar e armazenar todos aqueles zeros, para que possamos eliminar muitos ciclos de computação e armazenamento desnecessários, o que reduz o tamanho e a potência do chip, e aumenta a velocidade de processamento do chip, "Sze diz.

Por meio de seu design, a equipe conseguiu reduzir a memória do chip de seus 2 megabytes anteriores, a cerca de 0,8 megabytes. A equipe testou o chip em conjuntos de dados coletados anteriormente, gerados por drones voando por vários ambientes, como escritórios e espaços do tipo armazém.

"Embora personalizemos o chip para processamento de baixa potência e alta velocidade, também o tornamos suficientemente flexível para que ele possa se adaptar a esses ambientes diferentes para economia de energia adicional, "Sze diz." A chave é encontrar o equilíbrio entre flexibilidade e eficiência. "O chip também pode ser reconfigurado para suportar câmeras diferentes e sensores de unidade de medição inercial (IMU).

A partir desses testes, os pesquisadores descobriram que conseguiram reduzir o consumo de energia do chip de 2 watts para 24 miliwatts, e que isso foi o suficiente para alimentar o chip para processar imagens a 171 quadros por segundo - uma taxa ainda mais rápida do que os conjuntos de dados projetados.

A equipe planeja demonstrar seu design implementando seu chip em um carro de corrida em miniatura. Enquanto uma tela exibe o vídeo ao vivo de uma câmera integrada, os pesquisadores também esperam mostrar o chip determinando onde ele está no espaço, em tempo real, bem como a quantidade de energia que usa para realizar essa tarefa. Eventualmente, a equipe planeja testar o chip em um drone real, e, finalmente, em um drone em miniatura.