最近，美國麻省理工學(xué)院的科學(xué)家設(shè)計(jì)了一個(gè)新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)了硬件架構(gòu)，加快了機(jī)器人的反應(yīng)時(shí)間。

當(dāng)代機(jī)器人可以快速移動(dòng)。"電機(jī)速度快，而且功能強(qiáng)大。在復(fù)雜的情況下，比如與人的互動(dòng)，機(jī)器人的移動(dòng)速度往往不快。掛斷的是機(jī)器人的腦袋里在想什么。

麻省理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與人工智能實(shí)驗(yàn)室（CSAIL）博士畢業(yè)的Neuman說，感知刺激和計(jì)算反應(yīng)需要 "一船的計(jì)算量"，這限制了反應(yīng)時(shí)間。他們已經(jīng)找到了一種方法來對抗機(jī)器人的 "頭腦 "和身體之間的這種不匹配。這種方法被稱為robomorphic計(jì)算，利用機(jī)器人的物理布局和預(yù)期應(yīng)用來生成一個(gè)定制的計(jì)算機(jī)芯片，以最大限度地減少機(jī)器人的響應(yīng)時(shí)間。

Neuman說：“這一進(jìn)展可以促進(jìn)各種機(jī)器人應(yīng)用，包括，有可能是傳染病人的前線醫(yī)療護(hù)理。如果我們能夠擁有能夠幫助降低患者和醫(yī)院工作人員風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)器人，那就太棒了。"

Neuman將在今年4月的 "編程語言和操作系統(tǒng)的架構(gòu)支持國際會(huì)議 "上發(fā)表研究成果。麻省理工學(xué)院的共同作者包括研究生Thomas Bourgeat和Srini Devadas，Edwin Sibley Webster電子工程教授和Neuman的博士生導(dǎo)師。其他合著者包括哈佛大學(xué)的Brian Plancher、Thierry Tambe和Vijay Janapa Reddi。Neuman現(xiàn)在是哈佛大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的博士后NSF計(jì)算創(chuàng)新研究員。

據(jù)Neuman介紹，機(jī)器人的操作主要有三個(gè)步驟。第一個(gè)是感知，包括使用傳感器或相機(jī)收集數(shù)據(jù)。第二個(gè)是測繪和定位。"根據(jù)它們所看到的東西 它們必須構(gòu)建一個(gè)周圍世界的地圖 然后在這個(gè)地圖中定位自己" Neuman說。第三步是運(yùn)動(dòng)規(guī)劃和控制--換句話說，就是規(guī)劃行動(dòng)路線。

這些步驟可能需要時(shí)間和大量的計(jì)算能力。Plancher說：

"要想將機(jī)器人部署到野外，并在人類周圍的動(dòng)態(tài)環(huán)境中安全運(yùn)行，它們需要能夠非常快速地思考和反應(yīng)。當(dāng)前的算法無法在當(dāng)前的CPU硬件上快速運(yùn)行。"

Neuman補(bǔ)充說，研究人員一直在研究更好的算法，但她認(rèn)為僅靠軟件改進(jìn)并不是答案。"相對較新的是，你也可以探索更好的硬件的想法。" 這意味著超越由機(jī)器人大腦組成的標(biāo)準(zhǔn)版CPU處理芯片--在硬件加速的幫助下。

硬件加速是指使用專門的硬件單元來更高效地執(zhí)行某些計(jì)算任務(wù)。一個(gè)常用的硬件加速器是圖形處理單元（GPU），這是一種專門用于并行處理的芯片。這些設(shè)備對圖形處理很方便，因?yàn)樗鼈兊牟⑿薪Y(jié)構(gòu)允許它們同時(shí)處理成千上萬的像素。"GPU并不是什么都做得最好，但它在它的構(gòu)建方面是最好的，"Neuman說。"你可以為特定的應(yīng)用獲得更高的性能。" 大多數(shù)機(jī)器人的設(shè)計(jì)都有一套預(yù)定的應(yīng)用，因此可以從硬件加速中受益。這就是為什么Neuman的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了robomorphic計(jì)算。

該系統(tǒng)創(chuàng)建了一個(gè)定制的硬件設(shè)計(jì)，以最好地滿足特定機(jī)器人的計(jì)算需求。用戶輸入機(jī)器人的參數(shù)，比如它的肢體布局和各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)方式。Neuman的系統(tǒng)將這些物理屬性轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)矩陣。這些矩陣是 "稀疏的"，這意味著它們包含許多零值，這些零值大致對應(yīng)于給定機(jī)器人特殊解剖結(jié)構(gòu)下不可能的動(dòng)作。類似的，你的手臂的運(yùn)動(dòng)是有限的，因?yàn)樗荒茉谀承╆P(guān)節(jié)處彎曲--它不是一個(gè)無限柔韌的意大利面條）。

然后，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)專門的硬件架構(gòu)，只對矩陣中的非零值運(yùn)行計(jì)算。因此，所產(chǎn)生的芯片設(shè)計(jì)是量身定做的，以最大限度地提高機(jī)器人的計(jì)算需求的效率。而這種定制化設(shè)計(jì)在測試中得到了回報(bào)。

使用這種方法為特定應(yīng)用設(shè)計(jì)的硬件架構(gòu)，其性能優(yōu)于現(xiàn)成的CPU和GPU單元。雖然Neuman的團(tuán)隊(duì)并沒有從頭開始制造專門的芯片，但他們根據(jù)系統(tǒng)的建議，對一個(gè)可定制的現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）芯片進(jìn)行了編程。盡管以較慢的時(shí)鐘速率運(yùn)行，但該芯片的性能比CPU快8倍，比GPU快86倍。

"我對這些結(jié)果感到很興奮，"Neuman說："盡管我們受制于較低的時(shí)鐘速度，但我們只是通過提高效率來彌補(bǔ)。"