211service.com
Milliwatt met mega-impact
In de MTL Links bespreken Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '09 en Joyce Kwong, SM '06, PhD '10 een energiezuinige microcontroller-chip die werkt op zeer lage spanningen. Rechts testen Patrick Mercier, SM '08, en Denis Daly, SM '05, PhD '09 de voedingsspanningen voor een chip die wordt gebruikt om de vlucht van een mot te besturen.
Toen Anantha Chandrakasan opstond om zijn toespraak te houden op de Internationale Solid-State Circuits-conferentie van 1994, vulde een menigte snel de kamer en stroomde de gangen in. Tientallen mensen konden niet dichtbij genoeg komen om het te horen. Dus besloten de organisatoren iets te doen wat ze nog nooit eerder hadden gedaan voor een lezing over nieuw onderzoek en sindsdien nooit hebben gedaan: ze vroegen Chandrakasan, die toen promovendus was aan UC Berkeley, om zijn presentatie opnieuw te geven, zodat de menigte van de mensen die het de eerste keer misten, konden horen wat hij te zeggen had.
Chandrakasan's lezing ging over zijn werk bij het ontwerpen van een energiezuinige chip - een radicaal nieuwe benadering van circuitontwerp die een revolutie in het veld zou veroorzaken. Dennis Buss '63, SM '65, EE '66, PhD '68, nu hoofdwetenschapper bij Texas Instruments, was zo onder de indruk dat hij de lezing twee keer bijwoonde. Destijds gebruikten typische circuits honderd keer meer stroom dan de ontwerpen die Chandrakasan presenteerde. Het schokte de industrie, herinnert Buss zich.
Al tientallen jaren werden elektronische apparaten steeds sneller en kleiner. Hoe sneller ze kwamen, hoe meer kracht ze nodig hadden. Maar de wildgroei van draagbare elektronische apparaten zoals laptops en mobiele telefoons, en de belofte van een nieuwe generatie kleine medische en omgevingsbewakingsapparatuur, suggereerden dat het verminderen van het stroomverbruik enorme voordelen zou kunnen bieden. De verleidelijke mogelijkheden omvatten een sterk verlengde levensduur van de batterij en in sommige gevallen zelfs het helemaal weggooien van de batterij. Geen wonder dat mensen in de rij stonden om erover te horen.
De revolutie die Chandrakasan in het begin van de jaren negentig hielp lanceren, zette chipmakers anders aan het denken. In plaats van zich uitsluitend te concentreren op de kloksnelheid van de processor, begonnen ze energie-efficiëntie als een doel te zien. Deze verschuiving in het gezichtspunt maakte apparaten als netbooks en smartphones mogelijk. Nu houdt Chandrakasan, een professor in elektrotechniek en directeur van MIT's Microsystems Technology Laboratories (MTL), toezicht op wat hij hoopt dat een tweede revolutie zal zijn - een die het stroomverbruik opnieuw zal verminderen. Elektronica die helemaal geen traditionele batterijen nodig heeft, kan eindelijk in het verschiet liggen.
Langzaam maar machtig
Chandrakasan's historische ISSCC-lezing was het hoogtepunt van het werk dat in de zomer van 1991 begon, op instigatie van zijn scriptieadviseur, Robert Brodersen, SM '68, EE '68, PhD '72. Dat voorjaar, toen Brodersen luisterde naar een discussie op een andere grote conferentie over stroomverbruik in draagbare apparaten zoals mobiele telefoons, kreeg hij een openbaring. Het klikte met mij, en ik zei god, macht is het belangrijkste om over na te denken, zegt hij. Dus begonnen hij, Chandrakasan en een andere afgestudeerde student, Samuel Sheng (nu chief technical officer bij Telegent Systems), verschillende keren per week samen te komen om ideeën rond te schoppen om de stroombehoeften van elektronische circuits te verminderen. Die jongens gingen gewoon achter dit ding aan, herinnert Brodersen zich.
Naast het nadenken over hoe circuits minder stroom kunnen gebruiken, hebben ze ook nagedacht over de implicaties van het bereiken van dat doel. Ze concentreerden zich op wat nodig zou zijn om volledige multimediacomputer- en communicatiemogelijkheden te produceren in een klein, dun, draagbaar peninvoerapparaat dat urenlang zou kunnen blijven werken op batterijen alleen. Voorzichtig noemden ze hun project het Infopad - bijna twee decennia voordat een zeer vergelijkbaar apparaat met een zeer vergelijkbare naam records aller tijden zou vestigen voor de verkoop van een nieuw soort elektronisch product.
Toen ze begonnen, was het verre van duidelijk dat wat ze probeerden mogelijk was, en er waren veel sceptici. Er waren maar weinig anderen die het probeerden, legt Brodersen uit: Het basisgevoel in de branche was destijds dat er geen stroomprobleem meer was. Een nieuwe generatie chips op basis van complementaire metaaloxide-halfgeleidertechnologie (CMOS) zorgde immers al voor een grote verbetering van het stroomverbruik. CMOS-circuits verbruikten niet constant stroom zoals eerdere circuits, omdat ze alleen stroom gebruikten tijdens het uitvoeren van berekeningen. De meeste mensen dachten dat CMOS het probleem oploste, zegt hij.
Niet Chandrakasan. Ik wist dat met deze draadloze apparaten energie een belangrijk punt zou worden, zegt hij.
Toen ze die zomer samen brainstormden, realiseerden Brodersen, Chandrakasan en Sheng zich dat het soort efficiëntie waarnaar ze op zoek waren een grote verandering zou vergen. Een mogelijkheid die ze overwogen was een drastische verlaging van de bedrijfsspanning van chips. Maar dat had zijn eigen problemen: proberen de spanning zo sterk te verminderen dat de chips al snel onbruikbaar werden, zegt Brodersen. Ze hadden iets anders nodig.
Testbord om een energie-oogstchip te evalueren.
Uiteindelijk kwamen ze op het idee van parallellisme, en Chandrakasan deed de berekeningen en simulaties waaruit bleek dat het zou werken. Conventionele circuits zouden kunnen worden gemaakt om op lage spanning te werken als hun snelheid ook erg laag was. Door meer dingen tegelijk te doen, realiseerden ze zich, kon het gebrek aan snelheid worden gecompenseerd, zodat dezelfde hoeveelheid werk werd gedaan.
Tegen het einde van die zomer hadden ze het probleem gelikt - althans in principe. Ze publiceerden in 1992 een paper in de IEEE Journal of Solid-State Circuits , het toonaangevende tijdschrift in het veld, waarin hun visie wordt geschetst voor een energiezuinige chip die snelheidsverlies door parallelle operaties zou compenseren. Het artikel beschreef methoden voor het maken van computerchips en andere geïntegreerde schakelingen die konden werken op een stroombron van één volt, in plaats van de vijf volt die toen standaard was - iets waarvan mensen volgens Chandrakasan op dat moment dachten dat het niet mogelijk was. Als hoofdauteur vatte Chandrakasan samen wat zijn proefschrift zou worden. Meer dan tien jaar later bleef dat rapport over het onderzoeksproject van een student het op één na meest geciteerde artikel in de geschiedenis van het tijdschrift.
Tegen de tijd dat Chandrakasan zijn toespraak hield op de ISSC-conferentie in 1994, was de visie werkelijkheid geworden. Nadat hij in het eerdere artikel de theoretische basis had gelegd, demonstreerde hij de productie van een werkende set met zes chips die alle computer-, audio- en videofuncties zou kunnen uitvoeren die nodig zijn voor zijn prototype Infopad. Het verbruikte slechts vijf milliwatt, ongeveer een honderdste van het vermogen van vergelijkbare circuits in die tijd.
Terwijl hij in zijn kantoor aan het MIT zit, lacht Chandrakasan als hij terugdenkt aan het moment waarop alle onderdelen bij elkaar kwamen. Alleen in zijn lab in Berkeley in de kleine uurtjes van de ochtend, kreeg hij eindelijk full-motion video om te beginnen met streamen naar de monitor vanaf zijn 1,1-volt circuit. Dat was een geweldig moment om het volledige systeem te zien werken, zegt hij. Het was heel spannend. Maar hij had niet het gevoel dat hij zijn professor midden in de nacht wakker kon maken; hij wachtte tot de ochtend om Brodersen te bellen met het nieuws.
Dergelijke elektronica met een laag voltage en een laag vermogen is nu wijdverbreid, vooral nu nieuwe generaties kleinere, krachtigere elektronische apparaten zoals smartphones zijn toegenomen. De concepten die de industrie in 1994 als radicaal, innovatief en visionair beschouwde, worden tegenwoordig veel gebruikt, zegt Buss.
Een idee neemt vlucht
Na het behalen van zijn doctoraat in 1994 kwam Chandrakasan rechtstreeks naar MIT, waar hij in 2006 directeur van de MTL werd. Hij ging meteen aan de slag om elektronica te maken die zou kunnen gedijen op een nog gierigere stroomvoorziening. Tegenwoordig werken hij en zijn studenten toe naar chips die op 0,3 volt werken. MTL-alumni Vivienne Sze, SM '06, PhD '10 en Daniel Finchelstein '05, PhD '09 hebben al een ultra-low-power high-definition videodecoderchip ontwikkeld die werkt op 0,7 volt. De MTL-onderzoekers proberen de stroomvereisten zo laag te krijgen dat elektronica zonder batterijen zou kunnen werken op afvalenergie die wordt weggevangen door kleine bewegingen of lichaamswarmte. En ze beginnen te werken aan manieren om dergelijke chips te gebruiken - een uitdaging die betekent dat de efficiëntie van alle elementen van een complex systeem en tegelijkertijd van de manieren waarop ze met elkaar verbonden zijn, gemaximaliseerd moeten worden. Je moet naar het hele systeem kijken en ervoor zorgen dat elk blok een laag stroomverbruik heeft, zegt voormalig MTL-student Denis Daly, SM '05, PhD '09, die nu werkt voor Cambridge Analog Technologies, een lokale startup die voornamelijk bestaat uit MIT alumni en docenten. Je bent maar zo weinig energie als je zwakste schakel.
Toen de MTL-wetenschappers begonnen te onderzoeken hoe dergelijke laagvermogencomponenten in complete systemen konden worden geïntegreerd, hielp een mot de weg wijzen. In 2006 ontvingen MIT-onderzoekers een federale subsidie om een systeem te ontwikkelen dat de vlucht van een levende mot of ander insect kan controleren als een klein, potentieel zelfvoorzienend platform voor het verzamelen van milieu-informatie. Motten hebben zeer geavanceerde vliegvaardigheden, legt Patrick Mercier, SM '08, een promovendus in elektrotechniek en informatica, een van de studenten in het lab van Chandrakasan die aan het project deelnamen, uit. Mechanische apparaten komen niet eens in de buurt van hoe efficiënt ze zijn.
Het werd al snel duidelijk dat de elektronica die voor de taak nodig was, moest voldoen aan enorme limieten op het gebied van grootte, gewicht en energieverbruik. Het project was dus opgedeeld in componenten: communicatie, stroomvoorziening en besturingssystemen. In de loop der jaren hebben meer dan een dozijn studenten van verschillende onderzoeksgroepen aan het project meegewerkt, waarbij ze zich hebben gericht op verschillende aspecten van het systeem en met elkaar hebben overlegd om ervoor te zorgen dat hun onderdelen fysiek en elektronisch in elkaar passen. MTL-bijdragers Mercier en Daly concentreerden zich op de zend- en ontvangstsystemen met laag vermogen die nodig zijn om commando's naar de mot te sturen.
Samen slaagde het team erin een pakket te ontwikkelen dat ongeveer één gram woog, minder dan de helft van een cent. Het omvatte de besturingscircuits, de batterij en de radio-ontvanger, allemaal gemonteerd op een miniatuurharnas dat op de buik van een vijf centimeter lang kon passen. manduca vrijdag (een hawkmoth) zonder te interfereren met zijn vlucht. Er werden kleine draadjes gebruikt om het circuit met het zenuwstelsel van het insect te verbinden, waardoor er ontstond wat Mercier een cyborgmot noemt. (Neurologen van de Universiteit van Arizona en de Universiteit van Washington werkten samen met het team om de interfaces naar de mot zelf te ontwikkelen.)
In de MTL bespreken Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '09 en Joyce Kwong, SM '06, PhD '10 een energiezuinige microcontroller-chip die werkt bij zeer lage spanningen .
De sleutel tot het ultra-low-power radio-apparaat was het gebruik van ultrabreedbandtransmissies in zeer korte bursts - heel anders dan de langdurige smalbandtransmissies die worden gebruikt voor conventionele radiosystemen zoals Bluetooth-verbindingen, die tot honderd keer meer stroom vereisen . Gemiddeld verbruikte het hele systeem minder dan één milliwatt.
In 2009 had het team het doel bereikt door een compleet systeem te produceren waarin de kleine, complexe componenten hun werk deden, samenwerkten om de vlucht van de mot te sturen en het potentieel aantoonden van zeer kleine, ultra-low-power systemen.
Daly stelt zich een dag voor waarop zelfs kleinere, minder krachtige systemen op basis van dit onderzoek in enorme zwermen kunnen worden ingezet. Het zouden net stofdeeltjes kunnen zijn die je over een groot bos zou kunnen verspreiden om bijvoorbeeld brand te detecteren, zegt hij.
Elektronische pleisters
Mercier voelde zich aanvankelijk aangetrokken tot het mottenproject omdat hij een groot potentieel zag voor toepassingen in de gezondheidszorg: het legde de basis voor een geheel nieuwe generatie kleine, lichtgewicht en misschien zelfs implanteerbare apparaten voor medische monitoring, diagnose en behandeling. Chandrakasan en zijn MTL-collega's stellen zich op zichzelf staande elektronische pleisters voor, zoals ze ze noemen, die sensoren, een batterij, computerchips om de sensorgegevens te analyseren en een radiozender en ontvanger om de gegevens te communiceren zullen bevatten - allemaal verpakt in een apparaat klein genoeg om als huidpleister te dragen.
We ontwikkelen continue ambulante monitoren, zegt Mercier. Dergelijke apparaten kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt om de hartactiviteit 24/7 te observeren bij patiënten met een hartaandoening, zodat ze hun dagelijkse activiteiten kunnen uitvoeren met geavanceerde machines die onopvallend aan hun arm of borstkas zijn bevestigd. We willen dat iemand het kan dragen en niet eens weet dat ze het dragen, zegt hij. Als het apparaat GPS- en mobiele telefoontechnologie zou bevatten, evenals sensoren, zou het de exacte locatie van de persoon kunnen identificeren en automatisch om hulp kunnen roepen in een medisch noodgeval. Elektronische pleisters kunnen ook worden gebruikt om hersengolven te controleren bij patiënten die vatbaar zijn voor aanvallen, misschien om een dreigende aanval op tijd te detecteren om deze te voorkomen: het apparaat kan automatisch een puls naar een geïmplanteerde elektrode activeren die het patroon van hersenactiviteit zou verstoren.
De technologie die nodig is om nuttige informatie te extraheren uit de gegevens die dergelijke sensoren verzamelen, is waar Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, die nu bij Texas Instruments werkt, zich tijdens haar jaren bij de MTL op richtte. Ze bouwde een chip die elektro-encefalografische (EEG)-gegevens onderzoekt op afwijkingen in het signaal. De energiebehoefte is minimaal, deels omdat afzonderlijke acceleratormodules rond de hoofdprocessor sommige verwerkingstaken overdragen aan kleinere speciale circuits. Dat vertaalt zich in een langere batterijduur, legt ze uit. In plaats van een paar uur kan het een paar dagen duren.
Op korte termijn kunnen artsen deze technologie gebruiken om patiënten te monitoren nadat ze het ziekenhuis hebben verlaten. Maar de apparaten met een laag vermogen zouden uiteindelijk kunnen worden gebruikt in landelijke gebieden en arme landen, waar weinig ziekenhuizen zijn en de dichtstbijzijnde dokter misschien te ver weg is om iemand in een crisis te bereiken. Deze systemen vereisen niet veel onderhoud door een arts en zijn bedoeld voor een patiënt om thuis te dragen, zegt Kwong. Ze kunnen een radio op de pleister hebben, die informatie via een mobiele telefoon verzendt en vervolgens wordt doorgestuurd naar internet. Artsen die de expertise hebben om de gegevens te interpreteren, kunnen deze analyseren en een diagnose stellen, hoe ver de patiënt ook verwijderd is.
Kwong zegt dat de chip echt een flexibele processor is die kan worden geprogrammeerd om verschillende soorten fysiologische gegevens te analyseren. En omdat het klein is en gebaseerd is op standaard productietechnologie, zou het voor een cent kunnen worden gemaakt, zegt Mercier: als de volumes groot genoeg zijn, zijn de prijzen spotgoedkoop. Dergelijke chips zouden uiteindelijk diagnostische wegwerpsystemen kunnen worden, bijna net zo goedkoop als gewone pleisters.
En dat zou nog maar het begin kunnen zijn. Mercier, die de afgelopen vijf jaar aan dergelijke systemen heeft gewerkt, vertelt over de mogelijkheid dat verschillende apparaten die aan verschillende delen van het lichaam zijn bevestigd, verschillende gezondheidsindicatoren tegelijk kunnen controleren. De gegevens zouden dan in realtime worden doorgegeven aan één centrale processor voor analyse. Het resultaat zou zijn wat hij een body area network noemt.
Patrick Mercier, SM ’08, en Denis Daly, SM ’05, PhD ’09, testen de voedingsspanningen voor een chip die wordt gebruikt om de vlucht van een mot te besturen.
Batterijen wegdoen
Sommige van de prototypechips die in de MTL worden ontwikkeld, zijn niet groter dan een sesamzaadje - zo klein dat ze op een dag volledig in het lichaam kunnen worden geïmplanteerd. Uiteindelijk hopen onderzoekers dat ze volledig op weggevangen energie kunnen werken en nooit hoeven te worden opgeladen.
Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '10, is een van de vele MTL-studenten die hebben gewerkt aan het benutten van stroompjes energie die normaal gesproken verloren gaan. Tijdens de Energy Night 2009 in het MIT Museum, georganiseerd door de door studenten geleide MIT Energy Club, toonde Ramadass een van de producten van zijn onderzoek. Tussen de tientallen stands en posters met energiegerelateerde projecten was hij niet moeilijk te vinden: het grootste deel van de nacht werd hij omringd door een menigte mensen die staarden naar het bizarre apparaat dat hij op zijn arm droeg.
Ontworpen om kracht te putten uit het kleine verschil tussen de temperatuur van zijn huid en de temperatuur van de lucht eromheen, was het prototype nauwelijks onopvallend: vlakbij de kromming van zijn arm was een glanzend, stekelige aluminium koellichaam, een soort radiator die verdwijnt warmte aan de omringende lucht. Het koellichaam leidde de warmte van zijn lichaam door een thermo-elektrische oogstmachine die was verbonden met een kleine chip die hij had ontworpen om ongewoon efficiënt gebruik te maken van het thermo-elektrische effect van bepaalde halfgeleidermaterialen: wanneer de ene kant heter is dan de andere, is het temperatuurverschil genereert een elektrische spanning. De gefascineerde menigte doorspekt hem met vragen, vooral over het mogelijke toekomstige gebruik van een dergelijk systeem. De meest intrigerende toepassingen blijven in de toekomst: het prototype produceert te weinig elektriciteit om een mobiele telefoon te laten werken, maar het genereert genoeg om een horloge of rekenmachine van stroom te voorzien.
Ramadass, die nu voor Texas Instruments werkt (een van de belangrijkste sponsors van het onderzoek van de groep, samen met Intel en anderen), volgde twee verschillende benaderingen van energieopruiming. Naast het benutten van kleine temperatuurverschillen, heeft hij ook experimentele apparaten ontwikkeld om energie te benutten uit kleine bewegingen en trillingen. Deze apparaten gebruiken piëzo-elektrische materialen, die een elektrische stroom produceren als reactie op druk. Uiteindelijk, zegt hij, kunnen kleine elektronische apparaten worden aangesloten op systemen die beide soorten energie kunnen opvangen, om het beschikbare vermogen te maximaliseren.
Er zijn nog hindernissen te overwinnen. Om te beginnen produceren de piëzo-elektrische apparaten die energie halen uit bewegingen en trillingen wisselstroom, terwijl halfgeleidercircuits gelijkstroom nodig hebben. Omdat de beschikbare hoeveelheid stroom zo klein is, legt Chandrakasan uit, zullen de circuits die de wisselstroom naar gelijkstroom omzetten, zeer efficiënt moeten zijn. Het benutten van de thermo-elektrische kracht vereist ook extra stappen. Lichaamswarmte kan ongeveer 50 millivolt aan uitgangsspanning produceren, zegt hij. Dat is gewoon niet genoeg om logische circuits te laten draaien. Een spanningsverhoger (transformator) kan worden gebruikt om de spanning te verhogen, maar nogmaals, de circuits die de conversie uitvoeren, moeten efficiënt genoeg zijn om nuttig vermogen uit een kleine voeding te wringen.
Vooruit kijken
Als hij denkt aan de mate waarin het Infopad, dat hij zich in 1994 voorstelde, een voorbode was van de iPad die consumenten tegenwoordig kunnen kopen, vraagt Chandrakasan zich af naar wat voor soort apparaten we over een decennium of zo allemaal zullen kijken, gebruiken en spelen. Ik denk na over wat de uitdagingen zullen zijn die we in 2020 zullen hebben, zegt hij. Er zullen dramatisch nieuwe functies zijn, zoals computationele fotografie - de mogelijkheid om afbeeldingen in realtime te manipuleren - en dingen zoals gebareninvoer en veel verschillende soorten gebruikersinterfaces. Het minimaliseren van het stroomverbruik zal dergelijke rekenintensieve functies praktisch maken voor veel toepassingen.
Chandrakasan denkt ook aan kleinere, goedkopere, eenvoudigere apparaten die een verschil kunnen maken in de vele delen van de wereld die geen toegang hebben tot zelfs elementaire moderne gemakken. In een nieuwe samenwerking streven hij en Subra Suresh, de voormalige decaan van MIT's School of Engineering en de nieuwe directeur van de National Science Foundation, naar de ontwikkeling van een klein, energiezuinig apparaat dat onmiddellijk malaria kan diagnosticeren. Tegenwoordig zijn maar weinig landelijke klinieken in staat om de laboratoriumtest op bloedmonsters uit te voeren die nodig is om nauwkeurige resultaten te leveren.
Het idee is om een druppel bloed te nemen en een microfluïdische lab-on-a-chip te doen, zodat je geen dure microscoop nodig hebt, zegt Chandrakasan. Het zou allemaal elektronisch gebeuren - je zou de cellen opsluiten en hun elektrische activiteit meten. Het hele apparaat, zegt hij, zou zo groot zijn als een postzegel.
De realisatie van die mogelijkheid ligt natuurlijk nog vele jaren in de toekomst. Hoe kun je een diagnose stellen op een plek ver weg van klinieken, in een dorp? vraagt Chandrakasan zich hardop af. Maar hij kijkt er naar uit om ook deze visie werkelijkheid te zien worden. Zestien jaar na zijn baanbrekende optreden op de ISSC-conferentie, is hij nu voorzitter van die conferentie. Dus of belangrijke nieuwe ontwikkelingen in low-power circuits nu uit zijn eigen lab komen of ergens anders, hij is ideaal gepositioneerd om ze als eerste te zien.