Miliwaty z Mega Impact

W MTL Po lewej, Vivienne Sze, SM '06, dr '10, Yogesh Ramadass, SM '06, dr '09 i Joyce Kwong, SM '06, dr '10 omawiają energooszczędny układ mikrokontrolera, który działa bardzo niskie napięcia. Po prawej Patrick Mercier, SM ‘08, i Denis Daly, SM ‘05, PhD ‘09, testują napięcia zasilania chipa używanego do sterowania lotem ćmy.

Kiedy Anantha Chandrakasan wstała, aby wygłosić przemówienie na Międzynarodowej Konferencji Obwodów Półprzewodnikowych w 1994 roku, tłum szybko wypełnił pokój i rozlał się na korytarze. Dziesiątki ludzi nie mogły podejść wystarczająco blisko, aby usłyszeć. Dlatego organizatorzy postanowili zrobić coś, czego nigdy wcześniej nie robili w celu porozmawiania o nowych badaniach i nigdy nie zrobili od tego czasu: poprosili Chandrakasana, wówczas doktoranta na UC Berkeley, o ponowne wygłoszenie prezentacji, aby tłum ludzi, którzy to przegapili po raz pierwszy, mogło usłyszeć, co ma do powiedzenia.

Wystąpienie Chandrakasana dotyczyło jego pracy nad projektowaniem energooszczędnego chipa – radykalnie nowego podejścia do projektowania obwodów, które wywołałoby rewolucję w tej dziedzinie. Dennis Buss ‘63, SM ‘65, EE ‘66, PhD ‘68, obecnie główny naukowiec Texas Instruments, był pod takim wrażeniem, że dwukrotnie przebrnął przez tę rozmowę. W tym czasie typowe obwody zużywały sto razy więcej mocy niż projekty, które prezentował Chandrakasan. Buss wspomina, że ​​to zszokowało branżę.

Przez dziesięciolecia urządzenia elektroniczne stawały się coraz szybsze i mniejsze w szybkim tempie. Im szybciej byli, tym więcej potrzebowali mocy. Jednak rozpowszechnienie przenośnych urządzeń elektronicznych, takich jak laptopy i telefony komórkowe, oraz obietnica nowej generacji niewielkich urządzeń do monitorowania medycznego i środowiskowego sugerują, że zmniejszenie zużycia energii może przynieść ogromne korzyści. Kuszące możliwości obejmowały znacznie wydłużoną żywotność baterii, a nawet, w niektórych przypadkach, całkowite pozbycie się baterii. Nic dziwnego, że ludzie ustawiali się w kolejce, żeby o tym usłyszeć.

Rewolucja, którą Chandrakasan pomógł zapoczątkować na początku lat 90., sprawiła, że ​​producenci chipów zaczęli myśleć inaczej. Zamiast skupiać się wyłącznie na szybkości zegara procesora, zaczęli postrzegać wydajność energetyczną jako cel. Ta zmiana punktu widzenia umożliwiła korzystanie z urządzeń takich jak netbooki i smartfony. Teraz Chandrakasan, profesor elektrotechniki i dyrektor MIT’s Microsystems Technology Laboratories (MTL), nadzoruje, jak ma nadzieję, drugą rewolucję – taką, która ponownie zmniejszy zużycie energii. Elektronika, która w ogóle nie potrzebuje tradycyjnych baterii, może wreszcie pojawić się na horyzoncie.

Powolny, ale potężny

Historyczny wykład Chandrakasana w ISSCC był kulminacją prac, które rozpoczęły się latem 1991 roku za namową jego promotora, Roberta Brodersena, SM ‘68, EE ‘68, PhD ‘72. Tej wiosny, podczas słuchania dyskusji na innej dużej konferencji na temat zużycia energii w urządzeniach przenośnych, takich jak telefony komórkowe, Brodersen doznał objawienia. Zaskoczyło mnie i powiedziałem o rany, władza jest najważniejszą rzeczą do przemyślenia, mówi. Tak więc on, Chandrakasan i inny student, Samuel Sheng (obecnie dyrektor techniczny w Telegent Systems), zaczęli spotykać się kilka razy w tygodniu, aby omawiać pomysły na zmniejszenie zapotrzebowania na energię w obwodach elektronicznych. Ci faceci po prostu poszli za tym, wspomina Brodersen.

Oprócz myślenia o tym, jak sprawić, by obwody zużywały mniej energii, rozważyli również konsekwencje osiągnięcia tego celu. Skupili się na tym, co byłoby potrzebne do uzyskania pełnych multimedialnych możliwości obliczeniowych i komunikacyjnych w małym, cienkim, przenośnym urządzeniu z piórem, które mogłoby pracować przez wiele godzin na samych bateriach. Wcześniej nazwali swój projekt Infopad – prawie dwie dekady przed tym, jak bardzo podobne urządzenie o bardzo podobnej nazwie miało pobić rekordy sprzedaży nowego rodzaju produktu elektronicznego.

Kiedy zaczynali, nie było jasne, czy to, czego próbują, jest możliwe, i było wielu sceptyków. Niewielu innych nawet próbowało, wyjaśnia Brodersen: Podstawowym odczuciem w branży w tamtych czasach było to, że nie było już problemu z zasilaniem. W końcu nowa generacja chipów opartych na technologii komplementarnych półprzewodników tlenkowych (CMOS) już przyniosła znaczną poprawę zużycia energii. Obwody CMOS nie zużywały energii w sposób ciągły, tak jak wcześniej, ponieważ zużywały energię tylko podczas wykonywania obliczeń. Większość ludzi myślała, że ​​CMOS rozwiązał problem, mówi.

Nie Chandrakasan. Wiedziałem, że w przypadku tych urządzeń bezprzewodowych energia będzie kluczową kwestią, mówi.

Podczas wspólnej burzy mózgów tego lata Brodersen, Chandrakasan i Sheng zdali sobie sprawę, że rodzaj wydajności, którego szukali, wymaga jakiejś poważnej zmiany. Jedną z możliwości, które brali pod uwagę, było drastyczne obniżenie napięcia roboczego chipów. Ale to miało swoje własne problemy: próba zmniejszenia wydajności pogorszenia napięcia tak bardzo, że chipy szybko stały się bezużyteczne, mówi Brodersen. Potrzebowali czegoś innego.

Tablica testowa do oceny chipa do pozyskiwania energii.

W końcu wpadli na ideę równoległości, a Chandrakasan wykonał obliczenia i symulacje, które dowiodły, że to zadziała. Konwencjonalne obwody mogłyby działać przy niskim napięciu, gdyby ich prędkość była również bardzo niska. Zdali sobie sprawę, że robienie większej ilości rzeczy na raz może zrekompensować brak szybkości i wykonać tę samą ilość pracy.

Pod koniec lata rozwiązali problem – przynajmniej w zasadzie. Opublikowali artykuł w 1992 roku w IEEE Dziennik obwodów półprzewodnikowych , wiodące czasopismo w tej dziedzinie, przedstawiając swoją wizję energooszczędnego chipa, który zrekompensowałby utratę prędkości w wyniku równoległych operacji. W artykule opisano metody wytwarzania chipów komputerowych i innych układów scalonych, które mogłyby działać na źródle zasilania o napięciu 1 wolta, zamiast pięciu woltów, które wtedy były standardem – coś, o czym Chandrakasan mówi, że ludzie nie sądzili, że w tamtym czasie było to możliwe. Jako główny autor Chandrakasan podsumował to, co miało stać się jego pracą doktorską. Ponad dekadę później raport o studenckim projekcie badawczym pozostał drugim najczęściej cytowanym artykułem w historii czasopisma.

Zanim Chandrakasan wygłosił przemówienie na konferencji ISSC w 1994 roku, wizja stała się rzeczywistością. Po ułożeniu podstaw teoretycznych we wcześniejszym artykule, zademonstrował produkcję działającego sześcioukładowego zestawu, który mógłby wykonywać wszystkie funkcje obliczeniowe, audio i wideo potrzebne do jego prototypu Infopad. Zużywał zaledwie pięć miliwatów – około setnej ilości energii w porównaniu z porównywalnymi obwodami w tamtym czasie.

Siedząc w swoim biurze w MIT, Chandrakasan uśmiecha się, przypominając sobie moment, w którym wszystkie części połączyły się. Samotny w swoim laboratorium w Berkeley we wczesnych godzinach porannych, w końcu otrzymał film w pełnym ruchu, aby rozpocząć przesyłanie strumieniowe do monitora z obwodu 1,1 V. To był wspaniały moment, aby zobaczyć, jak działa cały system, mówi. To było bardzo ekscytujące. Ale nie czuł, że mógłby obudzić swojego profesora w środku nocy; czekał do rana, żeby zadzwonić do Brodersena z wiadomościami.

Taka niskonapięciowa elektronika o niskim poborze mocy stała się obecnie powszechna, zwłaszcza gdy pojawiły się nowe generacje mniejszych, mocniejszych urządzeń elektronicznych, takich jak smartfony. Koncepcje, które branża uważała w 1994 r. za radykalne, innowacyjne i wizjonerskie, są dziś w powszechnym użyciu, mówi Buss.

Pomysł odlatuje

Po otrzymaniu doktoratu w 1994 r. Chandrakasan trafił prosto do MIT, gdzie w 2006 r. został dyrektorem MTL. Natychmiast zabrał się do pracy, aby spróbować stworzyć elektronikę, która mogłaby prosperować na jeszcze słabszym zasilaniu. Obecnie on i jego uczniowie pracują nad chipami zasilanymi napięciem 0,3 V. Absolwenci MTL, Vivienne Sze, SM ‘06, PhD ‘10, i Daniel Finchelstein ‘05, PhD ‘09, opracowali już chip dekodera wideo wysokiej rozdzielczości o bardzo niskim poborze mocy, który działa pod napięciem 0,7 wolta. Naukowcy z MTL starają się obniżyć zapotrzebowanie na energię tak, aby elektronika mogła działać bez baterii, wykorzystując energię odpadową uzyskaną z niewielkich ruchów lub ciepła ciała. I zaczynają pracować nad sposobami wykorzystania takich chipów – wyzwaniem, które oznacza maksymalizację wydajności wszystkich elementów złożonego systemu, a jednocześnie sposobów ich łączenia. Musisz przyjrzeć się całemu systemowi i upewnić się, że każdy blok ma niski pobór mocy, mówi były student MTL Denis Daly, SM '05, PhD '09, który obecnie pracuje dla Cambridge Analog Technologies, lokalnego startupu składającego się głównie z MIT. absolwenci i wykładowcy. Masz tak małą moc, jak twoje najsłabsze ogniwo.

Kiedy naukowcy z MTL rozpoczęli badania nad integracją tak energooszczędnych komponentów w kompletne systemy, ćma pomogła wskazać drogę. W 2006 roku naukowcy z MIT otrzymali grant federalny na opracowanie systemu zdolnego do kontrolowania lotu żywej ćmy lub innego owada jako małej, potencjalnie samowystarczalnej platformy do gromadzenia informacji o środowisku. Ćmy mają bardzo wyrafinowane zdolności latania, wyjaśnia Patrick Mercier, SM ‘08, doktorant w dziedzinie elektrotechniki i informatyki, jeden ze studentów laboratorium Chandrakasana, którzy wzięli udział w projekcie. Urządzenia mechaniczne nawet nie zbliżają się do swojej wydajności.

Szybko okazało się, że elektronika potrzebna do tego zadania będzie musiała spełniać zniechęcające ograniczenia dotyczące rozmiaru, wagi i zużycia energii. Projekt został więc podzielony na komponenty: systemy łączności, zasilania i sterowania. Przez lata przy projekcie współpracowało kilkunastu studentów z kilku grup badawczych, skupiając się na różnych aspektach systemu i konsultując się ze sobą, aby upewnić się, że ich części będą do siebie pasować fizycznie i elektronicznie. Współtwórcy MTL, Mercier i Daly, skupili się na niskoenergetycznych systemach transmisji i odbioru potrzebnych do wysyłania poleceń do ćmy.

Wspólnie zespołowi udało się opracować opakowanie, które ważyło około jednego grama, czyli mniej niż połowę mniej niż pensa. Zawierał obwody sterujące, baterię i odbiornik radiowy, wszystkie zamontowane na miniaturowej wiązce, która mogła zmieścić się na brzuchu pięciocentymetrowego manduca piątek (hawkmoth) bez zakłócania jego lotu. Do połączenia obwodu z układem nerwowym owada użyto maleńkich przewodów, tworząc coś, co Mercier nazywa ćmą-cyborgiem. (Neuronaukowcy z University of Arizona i University of Washington pracowali z zespołem, aby opracować interfejsy do samej ćmy).

W MTL Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '09 i Joyce Kwong, SM '06, PhD '10 omawiają energooszczędny układ mikrokontrolera, który działa przy bardzo niskich napięciach .

Kluczem do urządzenia radiowego o bardzo niskim poborze mocy było użycie ultraszerokopasmowych transmisji w bardzo krótkich seriach – bardzo różniących się od długotrwałych transmisji wąskopasmowych stosowanych w konwencjonalnych systemach radiowych, takich jak połączenia Bluetooth, które wymagają nawet sto razy więcej mocy . Średnio cały system zużywał mniej niż jeden miliwat.

Do 2009 roku zespół osiągnął cel, tworząc kompletny system, w którym maleńkie, złożone komponenty wykonywały swoje zadania, współpracując ze sobą, aby sterować lotem ćmy i udowadniając potencjał bardzo małych systemów o bardzo niskim poborze mocy.

Daly wyobraża sobie dzień, w którym nawet mniejsze, słabsze systemy oparte na tych badaniach będą mogły być rozmieszczone w ogromnych rojach. Mogą być jak drobinki kurzu, które można na przykład rozprowadzić po dużym lesie, aby wykryć pożar, mówi.

Elektroniczne plastry

Mercier początkowo zainteresował się projektem ćmy, ponieważ dostrzegł ogromny potencjał zastosowań w opiece zdrowotnej: położył podwaliny pod zupełnie nową generację małych, lekkich, a być może nawet wszczepialnych urządzeń do monitorowania medycznego, diagnozowania i leczenia. Chandrakasan i jego koledzy z MTL wyobrażają sobie samodzielne elektroniczne plastry, jak je nazywają, które będą zawierały czujniki, baterię, chipy komputerowe do analizy danych z czujników oraz nadajnik i odbiornik radiowy do przesyłania danych – wszystko zapakowane w urządzenie wystarczająco małe, aby można je było nosić jako plaster na skórę.

Opracowujemy ciągłe monitory ambulatoryjne, mówi Mercier. Takie urządzenia mogłyby być używane na przykład do całodobowej obserwacji czynności serca u pacjentów z chorobami serca, co pozwoliłoby im na wykonywanie codziennych czynności z wyrafinowaną maszynerią dyskretnie przymocowaną do ramienia lub klatki piersiowej. „Chcemy, aby ktoś mógł go nosić i nawet nie wiedział, że go nosi”, mówi. Gdyby urządzenie zawierało technologię GPS i telefonu komórkowego, a także czujniki, mogłoby zidentyfikować dokładną lokalizację osoby i automatycznie wezwać pomoc w nagłych wypadkach medycznych. Elektroniczne plastry mogą być również używane do monitorowania fal mózgowych u pacjentów podatnych na drgawki, być może wykrywając na czas zbliżający się napad, aby temu zapobiec: urządzenie może automatycznie wyzwalać impuls do wszczepionej elektrody, który zakłóciłby wzorzec aktywności mózgu.

Technologia, która jest potrzebna do wyodrębnienia przydatnych informacji z danych gromadzonych przez takie czujniki, jest tym, na czym skupiła się Joyce Kwong, SM ‘06, PhD ‘10, która obecnie pracuje w Texas Instruments podczas swoich lat w MTL. Zbudowała chip, który bada dane elektroencefalografu (EEG) pod kątem nieprawidłowości w sygnale. Jego zapotrzebowanie na energię jest minimalne, po części dlatego, że oddzielne moduły akceleratorów wokół głównego procesora przenoszą niektóre zadania przetwarzania na mniejsze dedykowane obwody. Przekłada się to na dłuższą żywotność baterii – wyjaśnia. Zamiast kilku godzin może działać przez kilka dni.

W krótkim okresie lekarze mogą wykorzystać tę technologię do monitorowania pacjentów po opuszczeniu szpitala. Jednak urządzenia o niskim poborze mocy mogłyby w końcu znaleźć zastosowanie na obszarach wiejskich i biednych krajach, gdzie szpitali jest niewiele, a najbliższy lekarz może być zbyt daleko, aby dotrzeć do kogoś w sytuacji kryzysowej. Te systemy nie wymagają dużej konserwacji przez lekarza i są przeznaczone dla pacjenta do noszenia w domu, mówi Kwong. Mogą one zawierać radio na opasce, która przesyła informacje przez telefon komórkowy, a następnie jest przekazywana do Internetu. Lekarze, którzy mają doświadczenie w interpretacji danych, mogą je przeanalizować i postawić diagnozę, bez względu na to, jak daleko może znajdować się pacjent.

Kwong mówi, że chip jest naprawdę elastycznym procesorem, który można zaprogramować do analizowania różnych typów danych fizjologicznych. A ponieważ jest mały i oparty na standardowej technologii produkcji, może być wyprodukowany za grosze, mówi Mercier: Jeśli ilość jest wystarczająco duża, ceny są tanie. Takie chipy mogą w końcu stać się jednorazowymi systemami diagnostycznymi, prawie tak tanimi jak zwykłe plastry.

A to może być dopiero początek. Mercier, który pracuje nad takimi systemami przez ostatnie pięć lat, mówi o możliwości jednoczesnego monitorowania różnych wskaźników zdrowia przez kilka urządzeń podłączonych do różnych części ciała. Dane byłyby następnie przekazywane w czasie rzeczywistym do jednego centralnego procesora w celu analizy. Rezultatem byłoby coś, co nazywa siecią obszaru ciała.

Patrick Mercier, SM ’08 i Denis Daly, SM ’05, PhD ’09, testują napięcia zasilania chipa używanego do sterowania lotem ćmy.

Pozbywanie się baterii

Niektóre prototypowe chipy opracowywane w MTL są nie większe niż nasiona sezamu – tak małe, że pewnego dnia mogą zostać w pełni wszczepione w ciało. Ostatecznie naukowcy mają nadzieję, że będą mogły działać całkowicie na odzyskanej energii, nigdy nie wymagającej ładowania.

Yogesh Ramadass, SM ‘06, PhD ‘10, jest jednym z kilku studentów MTL, którzy pracowali nad wykorzystaniem strumieni energii, które normalnie się marnują. Podczas Nocy Energii w Muzeum MIT w 2009 roku, zorganizowanej przez studencki Klub Energetyczny MIT, Ramadass zaprezentował jeden z produktów swoich badań. Wśród dziesiątek stoisk i plakatów prezentujących projekty związane z energią, nie było trudno go znaleźć: przez większość nocy był otoczony tłumem ludzi wpatrujących się w dziwaczny aparat, który nosił na ramieniu.

Zaprojektowany tak, aby czerpać energię z niewielkiej różnicy między temperaturą jego skóry a temperaturą otaczającego ją powietrza, prototyp nie rzucał się w oczy: w pobliżu zgięcia jego ramienia znajdował się błyszczący, kolczasty aluminiowy radiator, rodzaj radiatora, który rozprasza ciepło do otaczającego powietrza. Radiator kierował ciepło jego ciała przez termoelektryczny kombajn podłączony do maleńkiego chipa, który zaprojektował w celu niezwykle wydajnego wykorzystania efektu termoelektrycznego, jaki wykazują niektóre materiały półprzewodnikowe: gdy jedna strona jest gorętsza od drugiej, różnica temperatur generuje napięcie elektryczne. Zafascynowany tłum zasypywał go pytaniami, zwłaszcza o możliwe przyszłe zastosowania takiego systemu. Najbardziej intrygujące zastosowania pozostaną w przyszłości: prototyp wytwarza zbyt mało energii elektrycznej do obsługi telefonu komórkowego, ale generuje wystarczająco dużo, aby zasilić zegarek lub kalkulator.

Ramadass, który obecnie pracuje dla Texas Instruments (która jest jednym z głównych sponsorów badań grupy, wraz z Intelem i innymi), zastosował dwa różne podejścia do oszczędzania energii. Oprócz wykorzystywania niewielkich różnic temperatur opracował również eksperymentalne urządzenia do wykorzystania energii z niewielkich ruchów i wibracji. Urządzenia te wykorzystują materiały piezoelektryczne, które wytwarzają prąd elektryczny w odpowiedzi na ciśnienie. Docelowo, jak mówi, małe urządzenia elektroniczne mogą być podłączone do systemów, które będą w stanie wychwytywać oba rodzaje energii, aby zmaksymalizować dostępną moc.

Nadal istnieją przeszkody do pokonania. Po pierwsze, urządzenia piezoelektryczne, które zbierają energię z ruchów i wibracji, wytwarzają prąd przemienny, podczas gdy obwody półprzewodnikowe wymagają prądu stałego. Ponieważ ilość dostępnej mocy jest tak mała, wyjaśnia Chandrakasan, obwody przetwarzające prąd przemienny na stały będą musiały być bardzo wydajne. Wykorzystanie energii termoelektrycznej wymaga również dodatkowych kroków. Ciepło ciała może wytworzyć około 50 miliwoltów napięcia wyjściowego, mówi. To po prostu nie wystarczy do obsługi obwodów logicznych. Wzmacniacz napięcia (transformator) może być użyty do zwiększenia napięcia, ale znowu obwody wykonujące konwersję muszą być wystarczająco wydajne, aby wycisnąć użyteczną moc z małego źródła.

Patrząc w przyszłość

Myśląc o tym, w jakim stopniu Infopad, który wyobraził sobie w 1994 roku, był prefiguracją iPada, który konsumenci mogą dziś kupić, Chandrakasan zastanawia się, na jakie urządzenia wszyscy będziemy patrzeć, używać i bawić się za mniej więcej dekadę. Zastanawiam się, jakie będą wyzwania, które czekają nas w 2020 roku – mówi. Pojawią się radykalnie nowe funkcje, takie jak fotografia obliczeniowa – możliwość manipulowania obrazami w czasie rzeczywistym – oraz takie rzeczy, jak wprowadzanie gestów i wiele różnych rodzajów interfejsów użytkownika. Minimalizacja zużycia energii sprawi, że tak intensywne obliczeniowo funkcje będą praktyczne w wielu zastosowaniach.

Chandrakasan myśli także o mniejszych, tańszych, prostszych urządzeniach, które mogą coś zmienić w wielu częściach świata, które nie mają dostępu do nawet podstawowych nowoczesnych udogodnień. W ramach nowej współpracy on i Subra Suresh, były dziekan Wydziału Inżynierii MIT i nowy dyrektor National Science Foundation, mają na celu opracowanie maleńkiego, energooszczędnego urządzenia, które mogłoby natychmiast zdiagnozować malarię. Obecnie niewiele klinik wiejskich jest w stanie przeprowadzić testy laboratoryjne na próbkach krwi, które są potrzebne do uzyskania dokładnych wyników.

Pomysł polega na pobraniu kropli krwi i wykonaniu mikroprzepływowego laboratorium na chipie, dzięki czemu nie potrzebujesz wymyślnego mikroskopu, mówi Chandrakasan. Wszystko odbywałoby się elektronicznie – uwięziłbyś komórki i mierzył ich aktywność elektryczną. Cały aparat, jak mówi, miałby rozmiary znaczka pocztowego.

Oczywiście realizacja tej możliwości jest jeszcze za wiele lat. Jak postawić diagnozę w miejscu oddalonym od przychodni, na wsi? — zastanawia się głośno Chandrakasan. Ale nie może się doczekać, kiedy ta wizja stanie się rzeczywistością. Szesnaście lat po swoim przełomowym występie na konferencji ISSC służy teraz jako przewodniczący tej konferencji. Więc niezależnie od tego, czy ważne nowe osiągnięcia w obwodach małej mocy pochodzą z jego własnego laboratorium, czy z innego miejsca, jest on w idealnym położeniu, aby zobaczyć je jako pierwszy.

ukryć