Procesor Picowat

Wkrótce czujniki mogą zostać wszczepione w nasze ciała, aby mierzyć poziom glukozy we krwi u diabetyków lub ciśnienie siatkówkowe u pacjentów z jaskrą. Ale żeby były praktyczne, będą musiały być bardzo małe – tak małe jak ziarnko piasku – i używać wytrzymałych baterii o podobnych niewielkich rozmiarach, kombinacji, która nie jest obecnie dostępna na rynku.

Moc szczytowa: Ten maleńki procesor, zwany Phoenix, zużywa o 90 procent mniej energii niż najbardziej wydajny chip na rynku. Mogłoby to umożliwić wszczepialne czujniki medyczne zasilane maleńkimi bateriami.

Teraz naukowcy z University of Michigan opracowali procesor, który zajmuje zaledwie jeden milimetr kwadratowy i którego zużycie energii jest tak niskie, że pojawiające się baterie cienkowarstwowe o tym samym rozmiarze mogą zasilać go przez 10 lat lub dłużej. David Blaauw , profesor elektrotechniki i informatyki w Michigan i jeden z czołowych badaczy projektu.

Ale kiedy ten procesor, nazwany Phoenix, jest połączony z baterią, cały pakiet miałby tylko milimetr sześcienny objętości. W tej skali, jak mówi Blaauw, wykonalne byłoby wbudowanie chipa w grubą soczewkę kontaktową i wykorzystanie go do monitorowania ciśnienia w oku, co byłoby przydatne do wykrywania jaskry. Można go również wszczepić pod skórę, aby wyczuć poziom glukozy w płynie podskórnym. Mówiąc szerzej, to energooszczędne podejście do projektowania procesorów można by zastosować na przykład w czujnikach środowiskowych monitorujących zanieczyszczenia lub czujnikach stanu konstrukcji.

Procesor zużywa tylko około 30 pikowatów (pikowat to jedna milionowa milionowej części wata) mocy w stanie bezczynności. Gdy jest aktywny, procesor zużywa tylko 2,8 pikodżuli energii na cykl obliczeniowy. Ta ilość to około jednej dziesiątej energii zużywanej przez najbardziej energooszczędne chipy na rynku, mówi Jan Rabaey , profesor elektrotechniki i informatyki na Uniwersytecie Kalifornijskim w Berkeley, który nie był zaangażowany w badania.

Głównym pomysłem zespołu z Michigan było zaprojektowanie chipa działającego przy ekstremalnie niskim napięciu. Podczas gdy mikroprocesory do komputerów osobistych mogą wymagać dwóch woltów prądu na operację, Phoenix potrzebuje tylko 500 miliwoltów, czyli 75 procent mniej.

Przy tym napięciu części chipa nie działają dobrze, wyjaśnia Blaauw, więc jego zespół przeprojektował pamięć chipa, która jest mniejsza niż większość pamięci procesora, oraz jego wewnętrzny zegar, aby mógł działać przy minimalnym poborze prądu. Zegar chipa – zegarek, który synchronizuje operacje przetwarzania liczb – został zredukowany do niezwykle wolnego tempa 100 kiloherców, w przeciwieństwie do częstotliwości gigahercowych komputerów osobistych. Takie podejście ma sens w przypadku czujników, mówi Blaauw. Jeśli chcielibyśmy monitorować ciśnienie w oku… wystarczy, że co kilka minut będziemy robić odczyty – mówi.

Ponadto naukowcy zwrócili szczególną uwagę na utratę energii, która występuje, gdy chip jest w trybie uśpienia lub gdy nie gromadzi ani nie przetwarza danych. Tranzystory w najnowszych komputerach są wytwarzane w procesie 45 nanometrów, w którym cechy chipa mają rozmiar 45 nanometrów. Chociaż pozwala to na umieszczenie większej liczby tranzystorów na mniejszym chipie, powoduje to również upływ prądu ze względu na fizykę materiałów w tej skali. Blaauw i jego zespół zdecydowali się na większe tranzystory wykonane w 180-nanometrowym procesie z poprzedniej generacji chipów. Te tranzystory są w dobrym miejscu, mówi Blaauw. Są wystarczająco duże, aby mieć minimalny wyciek, a jednocześnie wystarczająco małe, aby naukowcy zmieścili dużą liczbę na chipie o powierzchni jednego milimetra kwadratowego.

Aby jeszcze bardziej zminimalizować wyciek, naukowcy dodali specjalne tranzystory, które całkowicie odcinają zasilanie tranzystorów przetwarzających, gdy chip jest w trybie czuwania. To powszechne podejście, mówi Blaauw, ale jego zespół posunął się do skrajności i poświęcił znacznie więcej chipów niż zwykle na tranzystory bramkujące zasilanie. Gdyby normalny projektant [chipów] spojrzał na to, powiedziałby: „Zwariowałeś” – mówi Blaauw. Ale daje nam to kompromis w zakresie oszczędności energii, którego potrzebujemy. Podsumowując, naukowcy połączyli szereg już istniejących sztuczek i dopracowali je, aby osiągnąć rekordowo niskie zużycie energii.

Zespół z Michigan, który również jest kierowany przez Dennis Sylwester , profesor elektrotechniki i informatyki, wciąż musi dodać baterię do Phoenixa i musi opracować sposób na wyładowanie danych z chipa do dalszej analizy. Gdy to nastąpi, naukowcy mogą pracować nad pełną integracją w systemie biologicznym, co może zająć lata.

Rabaey z Berkeley, który pisze książkę o procesorach o niskim poborze mocy, mówi, że praca jest znacząca. To, co zrobiło na mnie wrażenie, to to, że doprowadzili to do dość ekstremalnych wartości, mówi. Zużycie energii jest niezwykle niskie. Nikt inny nawet się do tego nie zbliżył. Rabaey zauważa, że ​​ten procesor jest przeznaczony do specjalnych zastosowań z czujnikami i nie pojawi się w najbliższym czasie w telefonie komórkowym. Jest to jednak ważny krok w kierunku budowy wszczepialnych czujników medycznych, których baterie mogą działać przez lata.

Pomysł na ten niskonapięciowy chip nie jest nowy, mówi Rabaey: jest z powodzeniem stosowany w przemyśle zegarkowym od dziesięcioleci. Jednak w ciągu ostatnich kilku lat zainteresowanie środowisk akademickich i branżowych takim projektowaniem rozrosło się, ponieważ inżynierowie badają bardziej zróżnicowane i wszechobecne zastosowania czujników, urządzeń, które wymagają energooszczędnych sztuczek, aby były praktyczne.

ukryć