近日，科學(xué)家研發(fā)成功一款超低功耗混合信號(hào)芯片，該芯片的設(shè)計(jì)靈感來自對(duì)人類大腦的認(rèn)識(shí)，可以幫助手掌大小的機(jī)器人協(xié)同工作，并從經(jīng)驗(yàn)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(shí)間從幾分鐘提高到數(shù)小時(shí)。

　　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(hào)芯片，該芯片的設(shè)計(jì)靈感來自對(duì)人類大腦的認(rèn)識(shí)，可以幫助手掌大小的機(jī)器人協(xié)同工作，并從經(jīng)驗(yàn)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(hào)的時(shí)域處理器，采用信號(hào)的脈沖寬度對(duì)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(huì)議（ISSCC）上展示了一款搭載了該獨(dú)特ASIC的機(jī)器人小車。這項(xiàng)研究的贊助者包括國防部高級(jí)研究計(jì)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(yàn)場中放置了一個(gè)由該超低功耗混合信號(hào)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(gè)機(jī)器人小車協(xié)作的能力。

　　佐治亞理工學(xué)院電氣與計(jì)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(dòng)。為了實(shí)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(duì)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?！?/p>

　　Raychowdhury和他的研究生Ningyuan Cao、Muya Chang和Anupam Golder展示的汽車要穿過一個(gè)由橡膠墊覆蓋著的試驗(yàn)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(shí)，它們必須避開交通路障，并避免彼此相撞，它們?cè)谶@個(gè)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(hào)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(dòng)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(gè)子系統(tǒng)在消耗功率：用于驅(qū)動(dòng)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(duì)設(shè)計(jì)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SIC的計(jì)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。”他說。

　　佐治亞理工學(xué)院的團(tuán)隊(duì)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(gè)系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，傳感子系統(tǒng)、通信和計(jì)算單元、驅(qū)動(dòng)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(shí)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(gè)小時(shí)。我們很清楚需要一個(gè)什么樣的計(jì)算平臺(tái)，但是除了計(jì)算IC，還需要其它組件的配合?！?/p>

　　在時(shí)域計(jì)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(diǎn)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?cè)谶壿嬰娐泛痛鎯?chǔ)器的設(shè)計(jì)中使用了多種技術(shù)，將功耗降低到了毫瓦范圍，同時(shí)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(duì)于小型機(jī)器人來說已經(jīng)足夠快樂。

　　“對(duì)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?yàn)闄C(jī)器人本身的移動(dòng)速度就不快，”他說?！拔覀儬奚艘稽c(diǎn)性能，以獲得極高的電源效率。即使工作在10MHz或者100MHz，對(duì)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(shí)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(huì)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(dòng)系統(tǒng)，這樣機(jī)器人就可以正常啟動(dòng)，而不會(huì)立即崩潰或者提供錯(cuò)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(huì)有一些該機(jī)器人能夠識(shí)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(píng)估每項(xiàng)決策的有效性，以優(yōu)化它的后續(xù)動(dòng)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(gè)目標(biāo)?！霸诨ハ鄥f(xié)作的團(tuán)隊(duì)共同面對(duì)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(duì)中的其它同志在干什么?！彼f，“它們將致力于實(shí)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(duì)在國際固態(tài)電路會(huì)議上進(jìn)行了概念驗(yàn)證之后，還在繼續(xù)進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，并正在開發(fā)可以集成計(jì)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(shí)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>