211service.com
En Picowatt-processor
Inden længe kan sensorer blive implanteret i vores kroppe for at gøre ting som at måle blodsukkerniveauer hos diabetikere eller retinaltryk hos glaukompatienter. Men for at være praktiske skal de både være meget små - så små som et sandkorn - og bruge langtidsholdbare batterier af tilsvarende lille størrelse, en kombination, der ikke er kommercielt tilgængelig i dag.
Maksimal effekt: Denne lille processor, kaldet Phoenix, bruger 90 procent mindre energi end den mest effektive chip på markedet i dag. Det kunne muliggøre implanterbare medicinske sensorer drevet af bittesmå batterier.
Nu har forskere ved University of Michigan lavet en processor, der kun fylder en millimeter i kvadrat, og hvis strømforbrug er så lavt, at nye tyndfilmsbatterier af samme størrelse kan drive den i 10 år eller mere, siger David Blaauw , professor i elektroteknik og datalogi ved Michigan og en af de ledende forskere på projektet.
Men når denne processor, kaldet Phoenix, er koblet sammen med et batteri, ville hele pakken kun være en kubikmillimeter i volumen. I denne skala, siger Blaauw, kunne det være muligt at bygge chippen ind i en tyk kontaktlinse og bruge den til at overvåge trykket i øjet, hvilket ville være nyttigt til påvisning af glaukom. Det kan også implanteres under huden for at registrere glukoseniveauer i subkutan væske. Mere generelt kan denne energibesparende tilgang til processordesign bruges i miljøsensorer, der overvåger forurening, eller strukturelle sundhedssensorer, for eksempel.
Processoren bruger kun omkring 30 pikowatt (en pikowatt er en milliontedel af en milliontedel watt) strøm, når den er inaktiv. Når den er aktiv, bruger processoren kun 2,8 picojoule energi pr. computercyklus. Den mængde er omkring en tiendedel af den energi, der bruges af de mest energieffektive chips på markedet, siger Jan Rabaey , en professor i elektroteknik og datalogi ved University of California, Berkeley, som ikke var involveret i forskningen.
Michigan-teamets hovedidé var at designe en chip, der kører ved en ekstrem lav spænding. Mens mikroprocessorer til personlige computere kan kræve to volt elektricitet pr. operation, har Phoenix kun brug for 500 millivolt eller 75 procent mindre.
Ved denne spænding fungerer dele af chippen ikke godt, forklarer Blaauw, så hans team redesignede chippens hukommelse, som er mindre end de fleste processorhukommelser, og dens interne ur, så den kunne fungere med minimalt elektrisk input. Chippens ur – uret, der synkroniserer tal-knasende operationer – er blevet reduceret til en ekstremt langsom hastighed på 100 kilohertz, i modsætning til gigahertz-hastighederne på personlige computere. Denne tilgang giver mening for sensorer, siger Blaauw. Hvis vi ville overvåge trykket i øjet … behøver vi kun at måle med få minutters mellemrum, siger han.
Derudover var forskerne meget opmærksomme på det energitab, der opstår, mens chippen er i dvaletilstand eller ikke indsamler eller behandler data. Transistorer i de nyeste computere er lavet ved hjælp af en 45 nanometer proces, hvor funktioner på en chip er 45 nanometer store. Selvom dette giver mulighed for flere transistorer på en mindre chip, resulterer det også i elektrisk lækage på grund af materialernes fysik i denne skala. Blaauw og hans team valgte større transistorer lavet ved hjælp af en 180 nanometer-proces fra en tidligere generation af chips. Disse transistorer er i et sweet spot, siger Blaauw. De er store nok til at have minimal lækage og alligevel små nok til, at forskerne kan passe et stort antal på en en-millimeter kvadratisk chip.
For yderligere at minimere lækage tilføjede forskerne specielle transistorer, der fuldstændig lukker strømforsyningen til behandlingstransistorerne, når chippen er i standby-tilstand. Dette er en almindelig tilgang, siger Blaauw, men hans team tog det til det yderste og dedikerede meget mere af chippen end normalt til disse power-gating-transistorer. Hvis en normal [chip]-designer ville se på dette, ville han sige: 'Du er ude af dit sind,' siger Blaauw. Men det giver os den afvejning af strømbesparelser, vi har brug for. Sammenfattende kombinerede forskerne en række allerede eksisterende tricks og finjusterede dem for at opnå det rekordlave strømforbrug.
Michigan-holdet, som også ledes af Dennis Sylvester , professor i elektroteknik og datalogi, skal stadig tilføje et batteri til Phoenix, og det skal udvikle en måde, hvorpå data kan aflastes fra chippen til yderligere analyse. Når dette er gjort, kan forskerne arbejde på fuld integration i et biologisk system, hvilket kan tage år.
Berkeley's Rabaey, der skriver en bog om processorer med lav effekt, siger, at arbejdet er betydeligt. Det, der har imponeret mig, er, at de har drevet det her til helt ekstreme tal, siger han. Energiforbruget er ekstremt lavt. Ingen andre er kommet i nærheden af dette. Rabaey bemærker, at denne processor er beregnet til specielle sensorapplikationer, og at den ikke vil dukke op i en mobiltelefon snart. Det er dog et vigtigt skridt i retning af at bygge implanterbare medicinske sensorer, hvis batterier kan holde i årevis.
Ideen med denne lavspændingschip er ikke ny, siger Rabaey: den er blevet brugt med succes i urindustrien i årtier. Men inden for de seneste par år er akademisk og industris interesse for sådan design blomstret, efterhånden som ingeniører udforsker mere varieret og allestedsnærværende anvendelser af sensorer, enheder, der kræver energibesparende tricks for at være praktiske.