Milliwatt med Mega Impact

I MTL Til venstre diskuterer Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '09 og Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, en energieffektiv mikrocontroller-chip, der fungerer kl. meget lave spændinger. Til højre tester Patrick Mercier, SM '08, og Denis Daly, SM '05, PhD '09, forsyningsspændingerne for en chip, der bruges til at styre en møls flyvning.

Da Anantha Chandrakasan rejste sig for at holde sit foredrag på 1994 International Solid-State Circuits Conference, fyldte en menneskemængde hurtigt lokalet og væltede ud i gangene. Snesevis af mennesker kunne ikke komme tæt nok på til at høre. Så arrangørerne besluttede at gøre noget, som de aldrig havde gjort før til en snak om ny forskning og aldrig har gjort siden: de bad Chandrakasan, som dengang var ph.d.-studerende ved UC Berkeley, om at holde sit oplæg igen, så skaren af folk, der gik glip af det første gang, kunne høre, hvad han havde at sige.

Chandrakasans foredrag handlede om hans arbejde med at designe en strømeffektiv chip - en radikalt ny tilgang til kredsløbsdesign, der ville udløse en revolution på området. Dennis Buss '63, SM '65, EE '66, PhD '68, nu chefforsker ved Texas Instruments, var så imponeret, at han sad igennem snakken to gange. På det tidspunkt brugte typiske kredsløb hundrede gange mere strøm end de designs, Chandrakasan præsenterede. Det chokerede branchen, husker Buss.

I årtier var elektroniske enheder blevet hurtigere og mindre i et hurtigt tempo. Jo hurtigere de kom, jo ​​mere kraft krævede de. Men udbredelsen af ​​bærbare elektroniske enheder som bærbare computere og mobiltelefoner og løftet om en ny generation af bittesmå medicinske og miljømæssige overvågningsenheder antydede, at et faldende strømforbrug kunne give enorme fordele. De fristende muligheder omfattede meget forlænget batterilevetid og endda, i nogle tilfælde, helt at slippe af med batteriet. Ikke underligt, at folk stod i kø for at høre om det.

Den revolution, som Chandrakasan var med til at lancere i begyndelsen af ​​1990'erne, fik chipproducenterne til at tænke anderledes. I stedet for udelukkende at fokusere på processorens clockhastighed, begyndte de at se strømeffektivitet som et mål. Dette skift i synspunkt gjorde enheder som netbooks og smartphones mulige. Nu fører Chandrakasan, professor i elektroteknik og direktør for MITs Microsystems Technology Laboratories (MTL), tilsyn med, hvad han håber vil blive en anden revolution – en, der vil skære ned på strømforbruget igen. Elektronik, der slet ikke har brug for traditionelle batterier, kan endelig være i horisonten.

Langsomt men mægtigt

Chandrakasans historiske ISSCC-tale var kulminationen på arbejdet, der begyndte i sommeren 1991, på foranledning af hans specialevejleder, Robert Brodersen, SM '68, EE '68, PhD '72. Det forår, mens han lyttede til en diskussion på en anden stor konference om strømforbrug i bærbare enheder som mobiltelefoner, havde Brodersen en åbenbaring. Det klikkede hos mig, og jeg sagde gud, magt er det mest afgørende at tænke på, siger han. Så han, Chandrakasan, og en anden kandidatstuderende, Samuel Sheng (nu teknisk chef hos Telegent Systems), begyndte at mødes flere gange om ugen for at afsløre ideer til at reducere strømbehovet til elektroniske kredsløb. De fyre gik bare efter det her, husker Brodersen.

Ud over at tænke på, hvordan man får kredsløb til at bruge mindre strøm, overvejede de også implikationerne af at nå dette mål. De fokuserede på, hvad der ville være nødvendigt for at producere fuld multimediecomputer- og kommunikationskapacitet i en lille, tynd, bærbar pen-input-enhed, der kunne blive ved med at arbejde i timevis på batterier alene. Tidligere kaldte de deres projekt Infopad - næsten to årtier før en meget lignende enhed med et meget lignende navn skulle sætte alle tiders rekorder for salg af en ny slags elektronisk produkt.

Da de startede, var det langt fra klart, at det, de forsøgte, var muligt, og der var masser af skeptikere. De færreste prøvede endda, forklarer Brodersen: Grundfølelsen i branchen dengang var, at der ikke længere var et strømproblem. Når alt kommer til alt, havde en ny generation af chips baseret på komplementær metal-oxid-halvleder-teknologi (CMOS) allerede produceret en stor forbedring i strømforbruget. CMOS-kredsløb forbrugte ikke strøm konstant, som tidligere kredsløb havde, fordi de kun brugte strøm, mens de udførte beregninger. De fleste troede, at CMOS løste problemet, siger han.

Ikke Chandrakasan. Jeg vidste, at med disse trådløse enheder ville energi blive et nøgleproblem, siger han.

Da de brainstormede sammen den sommer, indså Brodersen, Chandrakasan og Sheng, at den form for effektivitet, de ledte efter, ville tage en slags større forandring. En mulighed, de overvejede, var en drastisk reduktion af chipsens driftsspænding. Men det havde sine egne problemer: At forsøge at reducere spændingen forringede ydeevnen så meget, at chipsene hurtigt blev ubrugelige, siger Brodersen. De havde brug for noget andet.

Testtavle for at evaluere en energi-høstende chip.

Til sidst ramte de ideen om parallelisme, og Chandrakasan lavede de beregninger og simuleringer, der beviste, at det ville fungere. Konventionelle kredsløb kunne fås til at fungere ved lav spænding, hvis deres hastighed også var meget lav. At gøre flere ting på én gang, indså de, kunne kompensere for den manglende hastighed, så den samme mængde arbejde blev udført.

Ved sommerens slutning havde de slikket problemet - i hvert fald i princippet. De udgav et papir i 1992 i IEEE Journal of Solid-State Circuits , det førende tidsskrift på området, der skitserer deres vision for en strømeffektiv chip, der ville kompensere for hastighedstab gennem parallelle operationer. Papiret beskrev metoder til fremstilling af computerchips og andre integrerede kredsløb, der kunne fungere på en én-volts strømkilde i stedet for de fem volt, der dengang var standard - noget, som Chandrakasan siger, at folk ikke troede var muligt på det tidspunkt. Som hovedforfatter opsummerede Chandrakasan, hvad der skulle blive hans doktorafhandlingsarbejde. Mere end et årti senere forblev denne rapport om en studerendes forskningsprojekt det næstmest citerede papir i tidsskriftets historie.

Da Chandrakasan holdt sit foredrag på ISSC-konferencen i 1994, var visionen blevet til virkelighed. Efter at have lagt det teoretiske grundlag i det tidligere papir, demonstrerede han produktionen af ​​et fungerende seks-chip sæt, der kunne udføre alle de computer-, lyd- og videofunktioner, der er nødvendige for hans prototype Infopad. Den forbrugte kun fem milliwatt - omkring en hundrededel så meget strøm som sammenlignelige kredsløb på det tidspunkt.

Chandrakasan sidder på sit kontor på MIT og smiler, mens han husker det øjeblik, hvor alle delene kom sammen. Alene i sit Berkeley-laboratorium i de små timer om morgenen fik han endelig video i fuld bevægelse for at begynde at streame til skærmen fra sit 1,1-volts kredsløb. Det var et fantastisk øjeblik at se hele systemet fungere, siger han. Det var meget spændende. Men han følte ikke, at han kunne vække sin professor midt om natten; han ventede til om morgenen med at ringe til Brodersen med nyheden.

Sådan lavspændings- og laveffektelektronik er nu blevet udbredt, især efterhånden som nye generationer af mindre, mere kraftfulde elektroniske enheder såsom smartphones har spredt sig. De koncepter, som industrien anså for at være radikale, innovative og visionære i 1994, er i almindelig brug i dag, siger Buss.

En idé flyver

Efter at have modtaget sin doktorgrad i 1994 kom Chandrakasan direkte til MIT, hvor han blev direktør for MTL i 2006. Han gik straks i gang med at forsøge at lave elektronik, der kunne trives på en endnu mere nærig strømforsyning. I disse dage arbejder han og hans elever på chips, der kører på 0,3 volt. MTL-alumner Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, og Daniel Finchelstein '05, PhD '09, har allerede udviklet en ultra-lav-effekt high-definition video-dekoder-chip, der fungerer ved 0,7 volt. MTL-forskerne forsøger at skubbe strømkravene så lavt, at elektronik kan køre batterifrit på spildenergi, der er fjernet fra små bevægelser eller kropsvarme. Og de er begyndt at arbejde på måder at tage sådanne chips i brug – en udfordring, der betyder at maksimere effektiviteten af ​​alle elementerne i et komplekst system og samtidig af måderne, de kobler sammen på. Du skal se på hele systemet og sikre, at hver blok er lavenergi, siger den tidligere MTL-studerende Denis Daly, SM '05, PhD '09, som nu arbejder for Cambridge Analog Technologies, en lokal startup, der hovedsageligt består af MIT alumner og fakulteter. Du har kun lige så lav effekt som dit svageste led.

Da MTL-forskerne begyndte at forske i, hvordan man kunne integrere sådanne laveffektkomponenter i komplette systemer, hjalp en møl med at pege vejen. I 2006 modtog MIT-forskere et føderalt tilskud til at udvikle et system, der er i stand til at kontrollere flugten af ​​en levende møl eller et andet insekt som en lille, potentielt selvbærende platform til indsamling af miljøoplysninger. Møl har meget sofistikerede flyveevner, forklarer Patrick Mercier, SM '08, en doktorgradskandidat i elektroteknik og datalogi, en af ​​de studerende i Chandrakasans laboratorium, der deltog i projektet. Mekaniske enheder kommer ikke engang i nærheden af, hvor effektive de er.

Det blev hurtigt klart, at den nødvendige elektronik til opgaven skulle opfylde skræmmende grænser for størrelse, vægt og energiforbrug. Så projektet blev opdelt i komponenter: kommunikation, strømforsyning og kontrolsystemer. Gennem årene har mere end et dusin studerende fra flere forskningsgrupper samarbejdet om projektet, fokuseret på forskellige aspekter af systemet og konfereret med hinanden for at sikre, at deres dele passer sammen fysisk og elektronisk. MTL-bidragydere Mercier og Daly fokuserede på de laveffekts transmissions- og modtagesystemer, der var nødvendige for at sende kommandoer til møl.

Sammen lykkedes det teamet at udvikle en pakke, der vejede omkring et gram – mindre end halvt så meget som en krone. Det inkluderede kontrolkredsløb, batteri og radiomodtager, alt sammen monteret på en miniaturesele, der kunne passe på maven af ​​en fem centimeter lang manduca fredag (en høgemut) uden at forstyrre dens flugt. Små ledninger blev brugt til at forbinde kredsløbet med insektets nervesystem, hvilket skabte, hvad Mercier refererer til som en cyborgmøl. (Neurovidenskabsmænd fra University of Arizona og University of Washington arbejdede sammen med holdet for at udvikle grænseflader til selve mølen.)

I MTL diskuterer Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '09 og Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, en energieffektiv mikrocontroller-chip, der fungerer ved meget lave spændinger .

Nøglen til radioenheden med ultralav effekt var at bruge ultrabredbåndstransmissioner i meget korte bursts - meget forskellig fra de langvarige smalbåndstransmissioner, der bruges til konventionelle radiosystemer såsom Bluetooth-forbindelser, som kræver op til hundrede gange mere strøm . I gennemsnit brugte hele systemet mindre end én milliwatt.

I 2009 havde holdet nået målet og produceret et komplet system, hvor de små, komplekse komponenter gjorde deres arbejde, arbejdede sammen om at styre mølens flugt og beviste potentialet for meget små, ultra-lav-effekt systemer.

Daly forestiller sig en dag, hvor endnu mindre, mindre drevne systemer baseret på denne forskning kunne indsættes i store sværme. De kunne være som støvsnager, man kunne fordele ud over en stor skov for for eksempel at opdage brand, siger han.

Elektroniske plaster

Mercier blev oprindeligt tiltrukket af møl-projektet, fordi han så et stort potentiale for sundhedsapplikationer: det lagde grunden til en helt ny generation af små, lette og måske endda implanterbare enheder til medicinsk overvågning, diagnose og behandling. Chandrakasan og hans MTL-kolleger forestiller sig selvstændige elektroniske plastre, som de kalder dem, der vil inkorporere sensorer, et batteri, computerchips til at analysere sensordataene og en radiosender og -modtager til at kommunikere dataene – alt sammen pakket ind i en enhed, der er lille nok til at bære som et hudplaster.

Vi er ved at udvikle kontinuerlige ambulante monitorer, siger Mercier. Sådanne anordninger kan for eksempel bruges til at observere hjerteaktivitet 24/7 hos patienter med hjertesygdom, hvilket giver dem mulighed for at udføre deres daglige aktiviteter med sofistikeret maskineri diskret fastgjort til deres arm eller bryst. Vi vil gerne have, at nogen kan have det på og ikke engang ved, at de har det på, siger han. Hvis enheden inkorporerede GPS og mobiltelefonteknologi samt sensorer, kunne den identificere personens nøjagtige placering og automatisk ringe efter hjælp i en medicinsk nødsituation. Elektroniske plaster kan også bruges til at overvåge hjernebølger hos patienter, der er tilbøjelige til at få anfald, måske opdage et forestående anfald i tide for at forhindre det: enheden kunne automatisk udløse en puls til en implanteret elektrode, der ville forstyrre mønsteret af hjerneaktivitet.

Den teknologi, der er nødvendig for at udtrække nyttig information fra de data, sådanne sensorer indsamler, er, hvad Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, som nu arbejder hos Texas Instruments, fokuserede på i sine år på MTL. Hun byggede en chip, der undersøger elektroencefalografdata (EEG) for abnormiteter i signalet. Dets energibehov er minimalt, til dels fordi separate acceleratormoduler omkring hovedprocessoren aflaster nogle behandlingsopgaver til mindre dedikerede kredsløb. Det giver sig udslag i længere batterilevetid, forklarer hun. I stedet for et par timer kunne den køre i et par dage.

På kort sigt kan læger bruge denne teknologi til at overvåge patienter, efter de forlader hospitalet. Men de energibesparende enheder kan i sidste ende bruges i landdistrikter og fattige lande, hvor hospitalerne er få, og den nærmeste læge kan være for langt væk til at nå nogen i en krise. Disse systemer kræver ikke meget vedligeholdelse af en læge, og de er beregnet til, at en patient kan bære derhjemme, siger Kwong. De kan inkludere en radio på plasteret, som sender information via en mobiltelefon, og så videresendes den til internettet. Læger, der har ekspertisen til at fortolke dataene, kan analysere dem og stille en diagnose, uanset hvor langt væk patienten måtte være.

Kwong siger, at chippen virkelig er en fleksibel processor, der kunne programmeres til at analysere forskellige typer fysiologiske data. Og fordi den er lille og baseret på standard fremstillingsteknologi, kan den laves for øre, siger Mercier: Hvis mængderne er store nok, er priserne billige. Sådanne chips kunne i sidste ende blive diagnostiske engangssystemer, næsten lige så billige som almindelige plaster.

Og det kunne kun være begyndelsen. Mercier, som har arbejdet på sådanne systemer i de sidste fem år, fortæller om potentialet for, at flere enheder, der er knyttet til forskellige dele af kroppen, kan overvåge en række sundhedsindikatorer på én gang. Dataene vil derefter blive videresendt i realtid til én central processor til analyse. Resultatet ville være, hvad han kalder et kropsområdenetværk.

Patrick Mercier, SM ’08, og Denis Daly, SM ’05, PhD ’09, tester forsyningsspændingerne for en chip, der bruges til at styre en møls flyvning.

At komme af med batterier

Nogle af de prototypechips, der udvikles i MTL, er ikke større end et sesamfrø – så små, at de en dag kan blive fuldt implanteret i kroppen. I sidste ende, håber forskerne, at de kunne køre udelukkende på opfanget energi, uden at de behøver at blive genopladet.

Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '10, er en af ​​flere MTL-studerende, der har arbejdet på at udnytte strømme af energi, der normalt går til spilde. Ved 2009 Energy Night på MIT Museum, arrangeret af den studerende ledede MIT Energy Club, viste Ramadass et af produkterne fra hans forskning frem. Blandt de snesevis af stande og plakater, der viste energirelaterede projekter, var han ikke svær at finde: det meste af natten var han omgivet af en flok mennesker, der stirrede på det bizarre apparat, han bar på armen.

Designet til at hente kraft fra den lille forskel mellem temperaturen på hans hud og temperaturen i luften omkring den, var prototypen næppe diskret: tæt på hans armkroge var en skinnende, spids aluminiumskøleplade, en slags radiator, der spreder sig. varme til den omgivende luft. Kølepladen ledede varmen fra hans krop gennem en termoelektrisk høster forbundet til en lille chip, som han havde designet til at gøre usædvanlig effektiv brug af den termoelektriske effekt, som visse halvledermaterialer udviser: når den ene side er varmere end den anden, er temperaturforskellen genererer en elektrisk spænding. Den fascinerede skare fyldte ham med spørgsmål, især om mulige fremtidige anvendelser af et sådant system. De mest spændende anvendelser forbliver i fremtiden: prototypen producerer for lidt elektricitet til at betjene en mobiltelefon, selvom den genererer nok til at drive et ur eller en lommeregner.

Ramadass, der nu arbejder for Texas Instruments (som er en af ​​hovedsponsorerne for gruppens forskning sammen med Intel og andre), forfulgte to forskellige tilgange til energiopfangning. Udover at udnytte små forskelle i temperatur, har han også udviklet eksperimentelle enheder til at udnytte energi fra små bevægelser og vibrationer. Disse enheder bruger piezoelektriske materialer, som producerer en elektrisk strøm som reaktion på tryk. I sidste ende, siger han, kan små elektroniske enheder blive tilsluttet til systemer, der kan opfange begge slags energi for at maksimere den tilgængelige strøm.

Der er stadig forhindringer, der skal overvindes. For det første producerer de piezoelektriske enheder, der høster energi fra bevægelser og vibrationer, vekselstrøm, mens solid-state kredsløb har brug for DC. Fordi mængden af ​​tilgængelig strøm er så lille, forklarer Chandrakasan, skal de kredsløb, der konverterer AC-strømmen til DC, være meget effektive. Udnyttelse af den termoelektriske kraft kræver også ekstra trin. Kropsvarme kan producere omkring 50 millivolt udgangsspænding, siger han. Det er simpelthen ikke nok til at køre logiske kredsløb. En spændingsforstærker (transformer) kan bruges til at øge spændingen, men igen skal de kredsløb, der udfører konverteringen, være effektive nok til at vride nyttig strøm ud af en lille forsyning.

Ser frem til

Når han tænker på, i hvilket omfang den Infopad, som han forestillede sig i 1994, forudsatte den iPad, som forbrugerne kan købe i dag, spekulerer Chandrakasan på, hvilke slags enheder vi alle vil se på, bruge og lege med om et årti eller deromkring. Jeg tænker på, hvad der bliver de udfordringer, vi får i 2020, siger han. Der vil være dramatisk nye funktioner, såsom computerfotografering – evnen til at manipulere billeder i realtid – og ting som gestus-input og mange forskellige slags brugergrænseflader. Minimering af strømforbruget vil være det, der gør sådanne beregningsintensive funktioner praktiske til mange applikationer.

Chandrakasan tænker også på mindre, billigere, enklere enheder, der kan gøre en forskel i de mange dele af verden, der mangler adgang til selv grundlæggende moderne bekvemmeligheder. I et nyt samarbejde sigter han og Subra Suresh, den tidligere dekan for MIT's School of Engineering og den nye direktør for National Science Foundation, efter at udvikle en lille, lav-effekt enhed, der øjeblikkeligt kunne diagnosticere malaria. I dag er det få klinikker på landet, der er i stand til at udføre den laboratorietest på blodprøver, der er nødvendige for at levere nøjagtige resultater.

Ideen er at tage en dråbe blod og lave en mikrofluidisk lab-on-a-chip, så du ikke behøver et fancy mikroskop, siger Chandrakasan. Det hele ville blive gjort elektronisk - du ville fange cellerne og måle deres elektriske aktivitet. Hele apparatet, siger han, ville være på størrelse med et frimærke.

Realiseringen af ​​den mulighed ligger naturligvis stadig mange år ude i fremtiden. Hvordan kan man stille diagnose et sted langt væk fra klinikker, ude i en landsby? Chandrakasan undrer sig højt. Men han ser frem til også at se denne vision blive til virkelighed. Seksten år efter hans banebrydende optræden på ISSC-konferencen, tjener han nu som konferencens formand. Så uanset om vigtige nye fremskridt inden for lavt strømkredsløb kommer fra hans eget laboratorium eller fra et andet sted, er han ideelt placeret til at se dem først.

skjule