211service.com
En Picowatt-processor
Snart kan sensorer implanteras i våra kroppar för att göra saker som att mäta blodsockernivåer hos diabetiker eller retinaltryck hos glaukompatienter. Men för att vara praktiska måste de både vara väldigt små – så små som ett sandkorn – och använda långvariga batterier av liknande liten storlek, en kombination som inte finns att köpa idag.
Toppeffekt: Denna lilla processor, kallad Phoenix, använder 90 procent mindre energi än det mest effektiva chipet på marknaden idag. Det kan möjliggöra implanterbara medicinska sensorer som drivs av små batterier.
Nu har forskare vid University of Michigan gjort en processor som tar upp bara en millimeter i kvadrat och vars strömförbrukning är så låg att nya tunnfilmsbatterier av samma storlek kan driva den i 10 år eller mer, säger David Blaauw , professor i elektroteknik och datavetenskap vid Michigan och en av de ledande forskarna i projektet.
Men när den här processorn, kallad Phoenix, kopplas till ett batteri, skulle hela paketet bara vara en kubikmillimeter i volym. I denna skala, säger Blaauw, kan det vara möjligt att bygga in chipet till en tjock kontaktlins och använda den för att övervaka trycket i ögat, vilket skulle vara användbart för att upptäcka glaukom. Det kan också implanteras under huden för att känna av glukosnivåer i subkutan vätska. Mer allmänt kan denna energisnåla strategi för processordesign användas i miljösensorer som övervakar föroreningar, eller strukturella hälsosensorer, till exempel.
Processorn använder bara cirka 30 pikowatt (en pikowatt är en miljondels en miljondels watt) ström när den är inaktiv. När den är aktiv förbrukar processorn endast 2,8 picojoule energi per datorcykel. Den mängden är ungefär en tiondel av den energi som används av de mest energieffektiva chipsen på marknaden, säger Jan Rabaey , professor i elektroteknik och datavetenskap vid University of California, Berkeley, som inte var involverad i forskningen.
Michigan-teamets huvudidé var att designa ett chip som körs med extremt låg spänning. Medan mikroprocessorer för persondatorer kan kräva två volt elektricitet per operation, behöver Phoenix bara 500 millivolt, eller 75 procent mindre.
Vid den här spänningen fungerar delar av chippet inte bra, förklarar Blaauw, så hans team gjorde om chipets minne, som är mindre än de flesta processorminnen, och dess interna klocka så att det kunde fungera med minimal elektrisk ingång. Chipets klocka – uret som synkroniserar sifferknäppningsoperationer – har reducerats till en extremt långsam hastighet på 100 kilohertz, i motsats till gigahertzhastigheten för persondatorer. Detta tillvägagångssätt är vettigt för sensorer, säger Blaauw. Om vi ville övervaka trycket i ögat ... behöver vi bara göra avläsningar med några minuters mellanrum, säger han.
Dessutom ägnade forskarna stor uppmärksamhet åt den energiförlust som uppstår när chipet är i viloläge eller inte samlar in eller bearbetar data. Transistorer i de nyaste datorerna är gjorda med en 45 nanometer process där funktioner på ett chip är 45 nanometer stora. Även om detta möjliggör fler transistorer på ett mindre chip, resulterar det också i elektriskt läckage, på grund av materialens fysik i denna skala. Blaauw och hans team valde större transistorer tillverkade med en 180 nanometers process, från en tidigare generation chips. Dessa transistorer är i en sweet spot, säger Blaauw. De är tillräckligt stora för att ha minimalt läckage och ändå tillräckligt små för att forskarna ska få plats med ett stort antal på ett en millimeter kvadratiskt chip.
För att ytterligare minimera läckaget lade forskarna till speciella transistorer som helt stänger av strömförsörjningen till processtransistorerna när chipet är i standby-läge. Det här är ett vanligt tillvägagångssätt, säger Blaauw, men hans team tog det till det extrema och dedikerade mycket mer av chippet än vanligt till dessa power-gating-transistorer. Om en normal [chip]-designer skulle titta på det här, skulle han säga: 'Du är galen', säger Blaauw. Men det ger oss den energibesparing som vi behöver. Sammanfattningsvis kombinerade forskarna ett antal redan existerande knep och finjusterade dem för att uppnå den rekordlåga strömförbrukningen.
Michigan-laget, som också leds av Dennis Sylvester , professor i elektroteknik och datavetenskap, måste fortfarande lägga till ett batteri till Phoenix, och det måste utveckla ett sätt för data att lossas från chipet för vidare analys. När detta är gjort kan forskarna arbeta med full integration i ett biologiskt system, vilket kan ta år.
Berkeleys Rabaey, som skriver en bok om processorer med låg effekt, säger att arbetet är betydande. Det som har imponerat på mig är att de har drivit det här till ganska extrema siffror, säger han. Energiförbrukningen är extremt låg. Ingen annan har kommit ens i närheten av detta. Rabaey noterar att den här processorn är avsedd för speciella sensorapplikationer och att den inte kommer att dyka upp i en mobiltelefon när som helst snart. Det är dock ett viktigt steg mot att bygga implanterbara medicinska sensorer vars batterier kan hålla i flera år.
Idén med detta lågspänningschip är inte ny, säger Rabaey: det har använts framgångsrikt i klockindustrin i årtionden. Men under de senaste åren har akademiskt och branschintresse för sådan design blomstrat i takt med att ingenjörer utforskar mer varierande och allestädes närvarande användningar av sensorer, enheter som kräver energibesparande trick för att vara praktiska.