211service.com
Een Picowatt-processor
Binnenkort kunnen sensoren in ons lichaam worden geïmplanteerd om dingen te doen zoals het meten van de bloedglucosespiegels bij diabetici of de netvliesdruk bij glaucoompatiënten. Maar om praktisch te zijn, moeten ze allebei erg klein zijn - zo klein als een zandkorrel - en batterijen gebruiken die lang meegaan en even klein zijn, een combinatie die tegenwoordig niet in de handel verkrijgbaar is.
Piekvermogen: Deze kleine processor, de Phoenix genaamd, verbruikt 90 procent minder energie dan de meest efficiënte chip die momenteel op de markt is. Het kan implanteerbare medische sensoren mogelijk maken die worden aangedreven door kleine batterijen.
Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Michigan een processor gemaakt die slechts één vierkante millimeter in beslag neemt en waarvan het stroomverbruik zo laag is dat opkomende dunne-filmbatterijen van hetzelfde formaat hem 10 jaar of langer van stroom kunnen voorzien, zegt David Blaauw , hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen in Michigan en een van de hoofdonderzoekers van het project.
Maar wanneer deze processor, de Phoenix genaamd, wordt gekoppeld aan een batterij, zou het hele pakket slechts een kubieke millimeter in volume zijn. Op deze schaal, zegt Blaauw, zou het haalbaar kunnen zijn om de chip in een dikke contactlens te bouwen en deze te gebruiken om de druk in het oog te controleren, wat nuttig zou zijn voor glaucoomdetectie. Het kan ook onder de huid worden geïmplanteerd om de glucosespiegels in de onderhuidse vloeistof te detecteren. Meer in het algemeen kan deze energiezuinige benadering van processorontwerp worden gebruikt in omgevingssensoren die vervuiling bewaken, of bijvoorbeeld structurele gezondheidssensoren.
De processor gebruikt bij inactiviteit slechts ongeveer 30 picowatt (een picowatt is een miljoenste van een miljoenste van een watt). Indien actief, verbruikt de processor slechts 2,8 picojoule aan energie per rekencyclus. Die hoeveelheid is ongeveer een tiende van het energieverbruik van de meest energiezuinige chips op de markt, zegt Jan Rabaey , een professor in elektrotechniek en computerwetenschappen aan de University of California, Berkeley, die niet betrokken was bij het onderzoek.
Het belangrijkste idee van het team uit Michigan was om een chip te ontwerpen die op een extreem lage spanning werkt. Terwijl microprocessors voor personal computers misschien twee volt elektriciteit per bewerking nodig hebben, heeft de Phoenix slechts 500 millivolt nodig, of 75 procent minder.
Bij deze spanning werken delen van de chip niet goed, legt Blaauw uit, dus heeft zijn team het geheugen van de chip, dat kleiner is dan het meeste processorgeheugen, en de interne klok opnieuw ontworpen, zodat het met minimale elektrische input kan werken. De klok van de chip - het uurwerk dat de bewerkingen voor het kraken van getallen synchroniseert - is teruggebracht tot een extreem lage snelheid van 100 kilohertz, in tegenstelling tot de gigahertz-snelheden van personal computers. Die aanpak is logisch voor sensoren, zegt Blaauw. Als we de druk in het oog willen meten... hoeven we maar om de paar minuten metingen uit te voeren, zegt hij.
Daarnaast hebben de onderzoekers goed gelet op het energieverlies dat optreedt terwijl de chip in de slaapstand staat of geen gegevens verzamelt of verwerkt. Transistors in de nieuwste computers worden gemaakt met behulp van een proces van 45 nanometer, waarbij kenmerken op een chip 45 nanometer groot zijn. Hoewel dit meer transistors op een kleinere chip mogelijk maakt, leidt dit ook tot elektrische lekkage, vanwege de fysica van de materialen op deze schaal. Blaauw en zijn team kozen voor grotere transistors gemaakt met een 180 nanometer proces, uit een eerdere generatie chips. Deze transistors zitten op een goede plek, zegt Blaauw. Ze zijn groot genoeg om een minimale lekkage te hebben en toch klein genoeg voor de onderzoekers om een groot aantal op een chip van één vierkante meter te passen.
Om lekkage verder te minimaliseren, voegden de onderzoekers speciale transistors toe die de stroomtoevoer naar de verwerkingstransistors volledig uitschakelen wanneer de chip in de standby-modus staat. Dit is een gebruikelijke benadering, zegt Blaauw, maar zijn team ging tot het uiterste en wijdde veel meer van de chip dan normaal aan deze power-gating transistors. Als een normale [chip]ontwerper hiernaar zou kijken, zou hij zeggen: 'Je bent gek', zegt Blaauw. Maar het geeft ons de energiebesparende afweging die we nodig hebben. Kortom, de onderzoekers combineerden een aantal reeds bestaande trucs en verfijnden ze om het recordbrekende lage stroomverbruik te bereiken.
Het Michigan-team, dat ook wordt geleid door Dennis Sylvester , hoogleraar elektrotechniek en informatica, moet nog steeds een batterij aan de Phoenix toevoegen en moet een manier ontwikkelen om gegevens van de chip te verwijderen voor verdere analyse. Als dat klaar is, kunnen de onderzoekers werken aan volledige integratie binnen een biologisch systeem, wat jaren kan duren.
Berkeley's Rabaey, die een boek schrijft over low-power processors, zegt dat het werk aanzienlijk is. Wat indruk op me heeft gemaakt, is dat ze dit tot behoorlijk extreme aantallen hebben gedreven, zegt hij. Het energieverbruik is extreem laag. Niemand anders is hier zelfs maar in de buurt gekomen. Rabaey merkt op dat deze processor bedoeld is voor speciale sensortoepassingen en dat hij niet snel in een mobiele telefoon zal verschijnen. Het is echter een belangrijke stap in de richting van het bouwen van implanteerbare medische sensoren waarvan de batterijen jaren meegaan.
Het idee van deze laagspannings-chip is niet nieuw, zegt Rabaey: hij wordt al tientallen jaren met succes gebruikt in de horloge-industrie. Maar in de afgelopen jaren is de belangstelling van de academische wereld en de industrie voor dergelijk ontwerp tot bloei gekomen naarmate ingenieurs meer gevarieerd en alomtegenwoordig gebruik van sensoren onderzoeken, apparaten die energiebesparende trucs vereisen om praktisch te zijn.