这款名为“Navion”的新芯片尺寸仅为 20 平方毫米，大约相当于一个乐高小人仔的大小，耗电量仅为 24 毫瓦，大约是点亮一个灯泡所需能量的千分之一。.
利用如此少的能量，这款芯片可以实时处理相机图像，速度高达每秒171帧，同时还能进行惯性测量，从而确定自身在空间中的位置。研究人员表示，这款芯片可以集成到指甲盖大小的“纳米无人机”中，帮助飞行器导航，尤其是在全球定位卫星数据无法覆盖的偏远或难以到达的地区。.
该芯片设计也可应用于任何需要在有限电源下长时间导航的小型机器人或设备。.
“我可以想象将这种芯片应用于低能耗机器人，比如指甲盖大小的扑翼飞行器，或者像气象气球那样比空气轻的飞行器，它们需要依靠单块电池运行数月之久，”麻省理工学院信息系统与决策实验室以及数据、系统与社会研究所的成员卡拉曼说道。“或者想象一下，像你吞服的小药丸这样的医疗设备，它只需极少的电量就能智能导航，从而避免在体内过热。我们正在研发的芯片可以帮助实现所有这些目标。”.

共同作者 Sze 和 Karaman 是 EECS 研究生 Amr Suleiman（第一作者）；EECS 研究生 Zhengdong Zhang；以及 Luca Carlone，他在该项目期间担任研究科学家，现在是麻省理工学院航空航天系的助理教授。.

柔性芯片：
近年来，多个研究团队设计出了小到可以握在掌心的微型无人机。科学家们设想，这些微型飞行器可以像蚊子大小的摄影师或测量员一样四处飞行，拍摄周围环境的照片，然后降落回手掌，方便收纳。
但是，手掌大小的无人机只能携带一块电池，其中大部分电量用于驱动电机，几乎没有剩余能量用于其他关键操作，例如导航，尤其是状态估计——即机器人确定自身空间位置的能力。
“在传统机器人技术中，我们使用现成的计算机并在上面实现[状态估计]算法，因为我们通常不必担心功耗问题，”卡拉曼说道。“但是，在每个需要我们实现低功耗应用小型化的项目中，我们现在必须以截然不同的方式来思考编程挑战。”
在他们早期的研究中，谢和卡拉曼开始尝试通过将算法和硬件集成到单个芯片上来解决这些问题。该芯片的初始设计基于FPGA（现场可编程门阵列），FPGA是一种商用硬件平台，可根据特定应用进行配置。与通常需要10至30瓦功率才能完成相同任务的大型标准无人机相比，该芯片仅需2瓦功率即可执行状态估计。即便如此，该芯片的功耗仍然高于微型无人机通常可携带的总功率，研究人员估计微型无人机的总功率约为100毫瓦。

为了进一步缩小芯片尺寸和降低功耗，团队决定从零开始设计芯片，而不是重新配置现有设计。“这让我们在芯片设计方面拥有更大的灵活性，”Sze说道。.

世界竞速：
为了降低芯片的功耗，研究团队设计了一种方案，旨在最大限度地减少芯片上任何给定时间存储的数据量，这些数据以摄像头图像和惯性测量数据的形式存在。该设计还优化了数据在芯片中的流动方式。
“我们实际上压缩了一些原本需要临时存储在芯片上的图像，这样就减少了所需的内存，”麻省理工学院电子研究实验室的成员Sze说道。该团队还减少了不必要的操作，例如计算零值。研究人员找到了一种方法，可以跳过那些涉及数据中零值的计算步骤。“这使我们能够避免处理和存储所有这些零值，从而消除许多不必要的存储和计算周期，进而减小芯片的尺寸和功耗，并提高芯片的处理速度，”Sze解释道。
通过这项设计，该团队成功地将芯片的内存从之前的2兆字节减少到大约0.8兆字节。研究团队利用之前收集的无人机在各种环境（包括办公场所和仓库）中飞行时生成的数据集对芯片进行了测试。
“我们对芯片进行了定制，使其具备低功耗和高速处理能力，同时还使其足够灵活，能够适应不同的环境，从而进一步节省电量，”Sze说道，“关键在于找到灵活性和效率之间的平衡。”该芯片还可以重新配置，以支持不同的摄像头和惯性测量单元（IMU）传感器。
通过这些测试，研究人员发现可以将芯片的功耗从2瓦降低到24毫瓦，这足以支持芯片以每秒171帧的速度处理图像——甚至比预期的数据集处理速度还要快。
研究团队计划将芯片应用于微型赛车，以展示他们的设计。在屏幕上显示来自车载摄像头的实时视频的同时，研究人员还希望展示芯片如何实时确定其空间位置，以及执行此任务所需的能量。最终，该团队计划在真正的无人机上测试该芯片，最后在微型无人机上进行测试。

这项研究部分由美国空军科学研究办公室和国家科学基金会资助。
###
作者：Jennifer Chu，麻省理工学院新闻办公室