Milliwatt med Mega Impact

I MTL Till vänster diskuterar Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '09 och Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, ett energieffektivt mikrokontrollerchip som fungerar kl. mycket låga spänningar. Till höger testar Patrick Mercier, SM '08, och Denis Daly, SM '05, PhD '09 matningsspänningarna för ett chip som används för att styra en nattfjärils flygning.

När Anantha Chandrakasan reste sig för att hålla sitt föredrag vid 1994 års internationella solid-state Circuits Conference, fyllde en folkmassa snabbt rummet och rann ut i korridorerna. Dussintals människor kunde inte komma tillräckligt nära för att höra. Så arrangörerna bestämde sig för att göra något som de aldrig gjort förut för ett föredrag om ny forskning och aldrig har gjort sedan dess: de bad Chandrakasan, som då var doktorand vid UC Berkeley, att hålla sin presentation igen, så att mängden av människor som missade det första gången kunde höra vad han hade att säga.

Chandrakasans föredrag handlade om hans arbete med att designa ett energieffektivt chip – ett radikalt nytt tillvägagångssätt för kretsdesign som skulle utlösa en revolution inom området. Dennis Buss ’63, SM ’65, EE ’66, PhD ’68, nu chefsforskare vid Texas Instruments, var så imponerad att han satt igenom talet två gånger. På den tiden använde typiska kretsar hundra gånger mer kraft än designen Chandrakasan presenterade. Det chockade branschen, minns Buss.

I decennier hade elektroniska enheter blivit snabbare och mindre i snabb takt. Ju snabbare de kom, desto mer kraft krävde de. Men spridningen av bärbara elektroniska enheter som bärbara datorer och mobiltelefoner, och löftet om en ny generation av små medicinska och miljömässiga övervakningsenheter, antydde att minskad strömförbrukning kan erbjuda enorma fördelar. De lockande möjligheterna inkluderade kraftigt förlängd batteritid och till och med, i vissa fall, att bli av med batteriet helt och hållet. Inte konstigt att folk stod i kö för att höra om det.

Revolutionen som Chandrakasan hjälpte till att lansera i början av 1990-talet fick chiptillverkarna att tänka annorlunda. Istället för att enbart fokusera på processorns klockhastighet började de se energieffektivitet som ett mål. Denna förändring i synvinkel gjorde enheter som netbooks och smarta telefoner möjliga. Nu övervakar Chandrakasan, professor i elektroteknik och chef för MIT:s Microsystems Technology Laboratories (MTL), vad han hoppas ska bli en andra revolution – en som kommer att minska strömförbrukningen igen. Elektronik som inte alls behöver traditionella batterier kan äntligen vara vid horisonten.

Långsamt men mäktigt

Chandrakasans historiska ISSCC-tal var kulmen på arbetet som började sommaren 1991, på initiativ av hans avhandlingsrådgivare, Robert Brodersen, SM '68, EE '68, PhD '72. Den våren, när han lyssnade på en diskussion vid en annan stor konferens om strömförbrukning i bärbara enheter som mobiltelefoner, fick Brodersen en uppenbarelse. Det klickade på mig, och jag sa herregud, makt är det mest avgörande att tänka på, säger han. Så han, Chandrakasan, och en annan doktorand, Samuel Sheng (numera teknisk chef på Telegent Systems), började träffas flera gånger i veckan för att sparka runt idéer för att minska strömbehovet för elektroniska kretsar. De där killarna gick bara efter det här, minns Brodersen.

Förutom att fundera på hur man får kretsar att använda mindre ström, övervägde de också konsekvenserna av att uppnå det målet. De fokuserade på vad som skulle behövas för att producera full multimediadator- och kommunikationskapacitet i en liten, tunn, bärbar penninmatningsenhet som kunde fortsätta arbeta i timmar på enbart batterier. Tidigare döpte de sitt projekt till Infopad - nästan två decennier innan en mycket liknande enhet med ett mycket liknande namn skulle sätta rekord genom tiderna för försäljning av en ny typ av elektronisk produkt.

När de började var det långt ifrån klart att det de försökte var möjligt, och det fanns gott om skeptiker. Få andra försökte ens, förklarar Brodersen: Grundkänslan i branschen på den tiden var att det inte fanns några strömproblem längre. När allt kommer omkring hade en ny generation chips baserade på komplementär metalloxidhalvledarteknik (CMOS) redan producerat en stor förbättring av strömförbrukningen. CMOS-kretsar förbrukade inte ström konstant som tidigare kretsar hade, eftersom de bara använde ström när de utförde beräkningar. De flesta trodde att CMOS löste problemet, säger han.

Inte Chandrakasan. Jag visste att med dessa trådlösa enheter skulle energi bli en nyckelfråga, säger han.

När de brainstormade tillsammans den sommaren insåg Brodersen, Chandrakasan och Sheng att den typ av effektivitet de letade efter skulle kräva någon slags stor förändring. En möjlighet de övervägde var en drastisk minskning av chipsens driftspänning. Men det hade sina egna problem: att försöka minska spänningen försämrade prestandan så mycket att chipsen snabbt blev oanvändbara, säger Brodersen. De behövde något annat.

Testbräda för att utvärdera ett energiskördande chip.

Slutligen slog de på idén om parallellism, och Chandrakasan gjorde beräkningarna och simuleringarna som visade att det skulle fungera. Konventionella kretsar skulle kunna fås att fungera vid låg spänning om deras hastighet också var mycket låg. Att göra fler saker på en gång, insåg de, kunde kompensera för bristen på hastighet så att lika mycket arbete blev gjort.

Vid slutet av sommaren hade de slickat problemet – åtminstone i princip. De publicerade en tidning 1992 i IEEE Journal of Solid-State Circuits , den ledande tidskriften på området, som beskriver sin vision för ett energieffektivt chip som skulle kompensera för hastighetsförluster genom parallella operationer. Uppsatsen beskrev metoder för att tillverka datorchips och andra integrerade kretsar som kunde fungera på en envolts strömkälla, istället för de fem volt som då var standard - något som Chandrakasan säger att folk inte trodde var möjligt vid den tiden. Som huvudförfattare sammanfattade Chandrakasan vad som skulle bli hans doktorsavhandlingsarbete. Mer än ett decennium senare förblev rapporten om en students forskningsprojekt den näst mest citerade artikeln i tidskriftens historia.

När Chandrakasan höll sitt föredrag vid ISSC-konferensen 1994 hade visionen blivit verklighet. Efter att ha lagt den teoretiska grunden i den tidigare artikeln demonstrerade han produktionen av en fungerande sex-chipset som kunde utföra alla dator-, ljud- och videofunktioner som behövs för hans prototyp Infopad. Den förbrukade bara fem milliwatt – ungefär en hundradel så mycket ström som jämförbara kretsar vid den tiden.

Chandrakasan sitter på sitt kontor på MIT och ler när han minns ögonblicket när alla delar kom ihop. Ensam i sitt Berkeley-labb på småtimmarna på morgonen fick han äntligen full-motion video för att börja streama till monitorn från sin 1,1-voltskrets. Det var ett fantastiskt ögonblick att se hela systemet fungera, säger han. Det var väldigt spännande. Men han kände inte att han kunde väcka sin professor mitt i natten; han väntade till morgonen med att ringa Brodersen med beskedet.

Sådan elektronik med låg spänning och låg effekt har nu blivit utbredd, särskilt som nya generationer av mindre, kraftfullare elektroniska enheter som smarta telefoner har ökat. De koncept som branschen ansåg vara radikala, innovativa och visionära 1994 är vanliga idag, säger Buss.

En idé tar flyget

Efter att ha tagit sin doktorsexamen 1994 kom Chandrakasan direkt till MIT, där han blev direktör för MTL 2006. Han satte genast igång arbetet med att försöka göra elektronik som kunde trivas med en ännu snålare strömförsörjning. Nuförtiden arbetar han och hans elever mot chips som går på 0,3 volt. MTL-alumnerna Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, och Daniel Finchelstein '05, PhD '09, har redan utvecklat ett ultralågkraftigt högupplöst videodekoderchip som fungerar på 0,7 volt. MTL-forskarna försöker pressa strömkraven så låga att elektroniken kan köras, batterifri, på avfallsenergi från små rörelser eller kroppsvärme. Och de börjar arbeta på sätt att använda sådana chips – en utmaning som innebär att maximera effektiviteten för alla delar av ett komplext system och samtidigt av sätten de länkar ihop. Du måste titta på hela systemet och se till att varje block har låg effekt, säger tidigare MTL-studenten Denis Daly, SM '05, PhD '09, som nu arbetar för Cambridge Analog Technologies, en lokal startup som till största delen består av MIT alumner och fakulteter. Du har bara så låg effekt som din svagaste länk.

När MTL-forskarna började undersöka hur man integrerar sådana lågeffektkomponenter i kompletta system, hjälpte en nattfjäril till att visa vägen. 2006 fick MIT-forskare ett federalt anslag för att utveckla ett system som kan kontrollera flygningen av en levande nattfjäril eller annan insekt som en liten, potentiellt självförsörjande plattform för att samla in miljöinformation. Fjärilar har mycket sofistikerade flygförmåga, förklarar Patrick Mercier, SM ’08, doktorand i elektroteknik och datavetenskap, en av eleverna i Chandrakasans labb som deltog i projektet. Mekaniska enheter kommer inte ens i närheten av hur effektiva de är.

Det blev snabbt uppenbart att elektroniken som behövs för uppgiften måste uppfylla skrämmande gränser för storlek, vikt och energiförbrukning. Så projektet var uppdelat i komponenter: kommunikation, strömförsörjning och styrsystem. Under årens lopp har mer än ett dussin studenter från flera forskargrupper samarbetat i projektet, fokuserat på olika aspekter av systemet och konfererat med varandra för att se till att deras delar kommer att passa ihop fysiskt och elektroniskt. MTL-bidragsgivarna Mercier och Daly fokuserade på de lågeffektsöverförings- och mottagningssystem som behövs för att skicka kommandon till malen.

Tillsammans lyckades teamet utveckla ett paket som vägde ungefär ett gram – mindre än hälften så mycket som en krona. Den inkluderade styrkretsarna, batteriet och radiomottagaren, alla monterade på en miniatyrsele som kunde passa på magen på en fem centimeter lång manduca fredag (en hökmot) utan att störa dess flykt. Små ledningar användes för att ansluta kretsen till insektens nervsystem, vilket skapade vad Mercier refererar till som en cyborgfjäril. (Neurovetare från University of Arizona och University of Washington arbetade med teamet för att utveckla gränssnitten till själva malen.)

I MTL diskuterar Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '09 och Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, ett energieffektivt mikrokontrollerchip som arbetar vid mycket låga spänningar .

Nyckeln till radioenheten med ultralåg effekt var att använda ultrabredbandssändningar i mycket korta skurar – mycket annorlunda än de långvariga smalbandssändningar som används för konventionella radiosystem som Bluetooth-anslutningar, som kräver upp till hundra gånger mer kraft . I genomsnitt använde hela systemet mindre än en milliwatt.

År 2009 hade teamet uppnått målet, producera ett komplett system där de små, komplexa komponenterna gjorde sitt jobb, arbetade tillsammans för att styra malens flygning och bevisa potentialen för mycket små system med ultralåg effekt.

Daly föreställer sig en dag då även mindre, lägre kraftfulla system baserade på denna forskning skulle kunna användas i stora svärmar. De kan vara som dammflisor som man kan fördela över en stor skog för att upptäcka till exempel brand, säger han.

Elektroniska plåster

Mercier drogs till en början till moth-projektet eftersom han såg en stor potential för vårdtillämpningar: det lade grunden för en helt ny generation av små, lätta och kanske till och med implanterbara enheter för medicinsk övervakning, diagnos och behandling. Chandrakasan och hans MTL-kollegor föreställer sig fristående elektroniska plåster, som de kallar dem, som kommer att inkludera sensorer, ett batteri, datorchips för att analysera sensordata och en radiosändare och mottagare för att kommunicera data – allt förpackat i en enhet tillräckligt liten för att bäras som en hudplåster.

Vi utvecklar kontinuerliga ambulatoriska monitorer, säger Mercier. Sådana anordningar kan till exempel användas för att observera hjärtaktivitet 24/7 hos patienter med hjärtsjukdom, vilket gör att de kan utföra sina dagliga aktiviteter med sofistikerade maskiner diskret fästa vid sin arm eller bröst. Vi vill att någon ska kunna bära den och inte ens veta att de har den på sig, säger han. Om enheten inkorporerade GPS och mobiltelefonteknik samt sensorer, kan den identifiera personens exakta plats och automatiskt ringa efter hjälp i en medicinsk nödsituation. Elektroniska plåster kan också användas för att övervaka hjärnvågor hos patienter som är utsatta för anfall, kanske för att upptäcka ett förestående anfall i tid för att förhindra det: enheten kan automatiskt utlösa en puls till en implanterad elektrod som skulle störa mönstret för hjärnaktivitet.

Tekniken som behövs för att extrahera användbar information från data som sådana sensorer samlar in är vad Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, som nu arbetar på Texas Instruments, fokuserade på under sina år på MTL. Hon byggde ett chip som undersöker elektroencefalografdata (EEG) för avvikelser i signalen. Dess energibehov är minimalt, delvis på grund av att separata acceleratormoduler runt huvudprocessorn överför vissa bearbetningsuppgifter till mindre dedikerade kretsar. Det leder till längre batteritid, förklarar hon. Istället för ett par timmar kunde den köras i ett par dagar.

På kort sikt kan läkare använda denna teknik för att övervaka patienter efter att de lämnat sjukhuset. Men de energisnåla enheterna kan så småningom användas på landsbygden och i fattiga länder, där sjukhusen är få och närmaste läkare kan vara för långt borta för att nå någon i en kris. Dessa system kräver inte mycket underhåll av en läkare, och de är avsedda för en patient att bära hemma, säger Kwong. De kan inkludera en radio på plåstret, som skickar information via en mobiltelefon, och sedan vidarebefordras den till Internet. Läkare som har expertis att tolka data kan analysera dem och ställa en diagnos, oavsett hur långt borta patienten kan vara.

Kwong säger att chippet verkligen är en flexibel processor som kan programmeras för att analysera olika typer av fysiologiska data. Och eftersom det är litet och baserat på standardtillverkningsteknik kan det göras för slantar, säger Mercier: Om volymerna är tillräckligt stora är priserna smutsbilliga. Sådana chips kan så småningom bli diagnostiska engångssystem, nästan lika billiga som vanliga plåster.

Och det kan bara vara början. Mercier, som har arbetat med sådana system under de senaste fem åren, talar om potentialen för flera enheter kopplade till olika delar av kroppen för att övervaka en mängd olika hälsoindikatorer samtidigt. Datan skulle sedan vidarebefordras i realtid till en central processor för analys. Resultatet skulle bli vad han kallar ett kroppsområdesnätverk.

Patrick Mercier, SM ’08, och Denis Daly, SM ’05, PhD ’09, testar matningsspänningarna för ett chip som används för att styra en nattfjärils flygning.

Bli av med batterier

Några av prototypchipsen som utvecklas i MTL är inte större än ett sesamfrö – så små att de en dag skulle kunna implanteras helt i kroppen. I slutändan, hoppas forskarna, kunde de köra helt på renad energi, utan att behöva laddas om.

Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '10, är ​​en av flera MTL-studenter som har arbetat med att ta tillvara strömmar av energi som normalt går till spillo. Vid 2009 års Energy Night på MIT Museum, organiserad av den studentledda MIT Energy Club, visade Ramadass upp en av produkterna från sin forskning. Bland de dussintals bås och affischer som visade upp energirelaterade projekt var han inte svår att hitta: under större delen av natten var han omgiven av en folkmassa som stirrade på den bisarra apparat han bar på armen.

Designad för att hämta kraft från den lilla skillnaden mellan temperaturen på hans hud och temperaturen på luften runt den, var prototypen knappast diskret: nära armkroken fanns en glänsande, taggig aluminiumkylfläns, en sorts kylare som skingras värme till den omgivande luften. Kylflänsen ledde värmen från hans kropp genom en termoelektrisk skördare kopplad till ett litet chip som han hade designat för att göra ovanligt effektiv användning av den termoelektriska effekt som vissa halvledarmaterial uppvisar: när ena sidan är varmare än den andra, är temperaturskillnaden genererar en elektrisk spänning. Den fascinerade skaran pepprade honom med frågor, särskilt om möjliga framtida användningar av ett sådant system. De mest spännande användningsområdena finns kvar i framtiden: prototypen producerar för lite elektricitet för att driva en mobiltelefon, även om den genererar tillräckligt för att driva en klocka eller en miniräknare.

Ramadass, som nu arbetar för Texas Instruments (som är en av de största sponsorerna av gruppens forskning, tillsammans med Intel och andra), följde två olika tillvägagångssätt för energirensning. Förutom att utnyttja små temperaturskillnader har han också utvecklat experimentella enheter för att utnyttja energi från små rörelser och vibrationer. Dessa enheter använder piezoelektriska material, som producerar en elektrisk ström som svar på tryck. I slutändan, säger han, kan små elektroniska enheter kopplas till system som kan rensa båda typerna av energi, för att maximera den tillgängliga kraften.

Det finns fortfarande hinder att övervinna. För det första producerar de piezoelektriska enheterna som hämtar energi från rörelser och vibrationer växelström, medan halvledarkretsar behöver DC. Eftersom mängden tillgänglig ström är så liten, förklarar Chandrakasan, måste kretsarna som omvandlar växelström till likström vara mycket effektiva. Att utnyttja den termoelektriska kraften kräver också extra steg. Kroppsvärme kan producera cirka 50 millivolts utspänning, säger han. Det räcker helt enkelt inte för att köra logiska kretsar. En spänningsförstärkare (transformator) kan användas för att öka spänningen, men återigen, kretsarna som utför omvandlingen måste vara tillräckligt effektiva för att vrida ut användbar ström ur en liten försörjning.

Blickar framåt

Med tanke på i vilken utsträckning Infopad som han föreställde sig 1994 föreställde iPad som konsumenter kan köpa idag, undrar Chandrakasan vilka typer av enheter vi alla kommer att titta på, använda och leka med om ett decennium eller så från nu. Jag funderar på vad som kommer att bli utmaningarna vi kommer att ha 2020, säger han. Det kommer att finnas dramatiskt nya funktioner, som beräkningsfotografering – möjligheten att manipulera bilder i realtid – och saker som gester och många olika typer av användargränssnitt. Att minimera strömförbrukningen är det som gör sådana beräkningsintensiva funktioner praktiska för många applikationer.

Chandrakasan funderar också på mindre, billigare, enklare enheter som kan göra skillnad i många delar av världen som saknar tillgång till ens grundläggande moderna bekvämligheter. I ett nytt samarbete siktar han och Subra Suresh, den tidigare dekanen för MIT:s School of Engineering och den nya chefen för National Science Foundation, på att utveckla en liten, energisnål enhet som omedelbart kan diagnostisera malaria. Idag är det få kliniker på landsbygden som kan utföra laboratorietester på blodprover som behövs för att ge korrekta resultat.

Tanken är att ta en droppe blod och göra ett mikrofluidiskt lab-on-a-chip så att du inte behöver ett snyggt mikroskop, säger Chandrakasan. Allt skulle göras elektroniskt - du skulle fånga cellerna och mäta deras elektriska aktivitet. Hela apparaten, säger han, skulle vara lika stor som ett frimärke.

Förverkligandet av den möjligheten ligger naturligtvis fortfarande många år i framtiden. Hur kan man ställa diagnos på en plats långt borta från kliniker, ute i en by? undrar Chandrakasan högt. Men han ser fram emot att se även denna vision bli verklighet. Sexton år efter hans banbrytande framträdande på ISSC-konferensen fungerar han nu som ordförande för den konferensen. Så oavsett om viktiga nya framsteg inom lågeffektkretsar kommer från hans eget labb eller från någon annanstans, är han idealiskt placerad för att se dem först.

Dölj