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清大研發仿視神經AI晶片 教無人機「果蠅式」飛行

2020-01-31 11:00聯合報 記者王駿杰/新竹即時報導

無人機運用在通訊及農業等領域越來越廣泛,卻有電力難以負載長時間大量運算問題,國立清華大學電機、生科系教授鄭桂忠、羅中泉組成的跨領域團隊向果蠅取經,研發仿生物視覺神經的AI晶片,讓無人機可以超省電狀態自動閃避障礙物飛行,未來還可應用在無人車、智慧眼鏡、機器手臂等領域。

無人機過去多半利用發射並接收反射的電磁波、紅外線等方式避開障礙物,相當耗電,且過多裝置同時運作也易互相干擾。因此,有科學家用光學鏡頭來拍攝分析影像來避障,但需要處理的影像資訊量太大,速率難以提升,仍十分耗電。

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清大「嵌入式仿神經人工智慧晶片團隊」(ENIAC)成立於2017年,成員包括跨電機、生科領域的7位清大教授,專研仿神經系統的清大電機系教授鄭桂忠認為,要突破目前AI人工智慧發展的限制,一定要向生物取經,於是找上研究果蠅大腦的系統神經科學研究所教授羅中泉,師法果蠅的視神經系統,研發出仿昆蟲視覺的省電、高效率AI晶片。

鄭桂忠說,現在的相機、手機鏡頭動輒都是上千萬像素,但果蠅的眼睛大約只有8百萬像素,牠的大腦在處理收到的輪廓、對比等視覺訊號時,會自動過濾掉不重要的資訊,也就是所謂的「注意力機制」;因此,研究團隊將這項「注意力機制」應用在AI晶片上,運用手勢來操作無人機飛行,「電腦只要識別手指邊緣的輪廓,不需要處理整隻手的顏色指紋等細節,就可節省大量的運算資源。」

教會無人機飛行時只「看」重點後,還要教它學會判斷迎面而來的物體遠近、會不會撞上?羅中泉解釋,小型無人機無法攜帶沉重或高耗能的裝置,因此過去採用聲納或雷達的避障方式都不適合。而仿果蠅視神經偵測「光流」所開發出的AI網路只要用數十個神經元,就可取代需要大量CPU運算的傳統數學演算法,達到高效避障;且只需要1微瓦的電量就能辦到,相當於省下千倍的電量。

另外,研究團隊在減少AI晶片的功耗上還有一項重大突破,就是達到「記憶體內計算」。鄭桂忠指出,無論電腦、手機都需要將資料從記憶體搬移到CPU中央處理器計算,再把運算結果搬回到記憶體儲存,人工智慧深度學習計算高達9成的功耗與時間都浪費在資料搬移。研究團隊研發仿神經元突觸的AI晶片,可以在記憶體內直接進行計算,效率大為提升。

清大電機系教授鄭桂忠以手勢操作AI無人機飛行。圖/國立清華大學提供
清大電機系教授鄭桂忠以手勢操作AI無人機飛行。圖/國立清華大學提供
清大系神所教授羅中泉透過模擬環境來觀察果蠅的運動狀態。圖/國立清華大學提供
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清大電機系教授鄭桂忠(右)與系神所教授羅中泉跨域合作研發仿生AI晶片。圖/國立清...
清大電機系教授鄭桂忠(右)與系神所教授羅中泉跨域合作研發仿生AI晶片。圖/國立清華大學提供

AI 無人機 記憶
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