Новые энергосберегающие микросхемы, разработанные в Массачусетском технологическом институте, потребляют так мало электроэнергии, что в один прекрасный день для энергоснабжения имплантируемых медицинских устройств вполне достаточно будет тепла человеческого тела.

Конструкция таких микросхем, которая, по словам исследователей, поможет добиться десятикратного снижения энергопотребления, была представлена на конференции International Solid State Circuits Conference, прошедшей сейчас в Сан-Франциско. Ожидается, что микросхема, проектирование которой находится пока на этапе проработки концепции, сможет найти широкое применение в портативных электронных устройствах - сотовых телефонах, КПК и даже имплантируемых медицинских системах.

Пять лет на снижение

"Мы намерены обеспечить возможность создания устройств с низким энергопотреблением в максимально сжатые сроки, - сообщил научный директор Texas Instruments Дэннис Басс (инженеры компании вместе с исследователями из МТИ работают сегодня над проектом, первый этап которого рассчитан на два года). - Для того чтобы добиться желаемых результатов, понадобится примерно пять лет. Демонстрация результатов исследований является важной вехой, однако создание условий для выпуска коммерческой продукции потребует дополнительной работы".

"Ключ к повышению энергетической эффективности микросхем заключается в том, чтобы уменьшить напряжение питания, - отметила одна из участниц команды разработчиков, аспирант факультета электротехники и информатики МТИ Джойс Квонг. - Напряжение питания большинства современных процессоров составляет около 1 В. В соответствии с новыми спецификациями МТИ эта планка снижается до 0,3 В".

Согласно стандартной формуле расчета, энергопотребление чипа пропорционально квадрату напряжения питания. Это означает, что даже при незначительном повышении напряжения энергопотребление сразу заметно возрастает. Соответственно, при уменьшении напряжения энергопотребление будет падать.

"В данном случае напряжению отводится критически важная роль, - отметил аналитик компании In-Stat Джим Макгрегор. - Требования к современным карманным устройствам растут. Чтобы уменьшить напряжение, необходимо повышать сложность микросхемы, обеспечивать поддержку дополнительных функций. Вместе с тем это позволит добиться увеличения продолжительности непрерывной работы от батарей, а данный параметр имеет критически важное значения для многих приложений".

Напряжение по требованию

Напряжение питания сотового телефона или карманного устройства зависит от функций, которые это устройство выполняет. Как пояснил Басс, если чип простаивает, для поддержания его работоспособности вполне достаточно 0,3 В. Но если устройство выполняет какие-то операции, требующие высокой производительности, напряжение питания чипа необходимо увеличивать. Поэтому микросхема проектируется с учетом минимального и максимального значений напряжения питания.

"Наша концепция предполагает динамическое изменение напряжения питания, - уточнил Басс. - Напряжение питания может увеличиваться или уменьшаться в зависимости от интенсивности вычислений, которые вам необходимо выполнять. Когда нужно увеличить скорость, вы повышаете напряжение. В спящем или холостом режиме напряжение питания снижается, тем самым вы экономите существенный объем электроэнергии".

По словам Басса, чип использует преобразователи постоянного тока, которые осуществляют управление уровнем напряжения. Применение сразу нескольких конвертеров позволяет варьировать напряжение в зависимости от функций, выполняемых устройством в текущий момент. Переход на более низкие уровни напряжения там, где это возможно, позволяет добиться снижения энергопотребления.

"Если бы я использовал подобную архитектуру микросхем в устройстве BlackBerry, мне удалось бы значительно увеличить продолжительность непрерывной работы от батарей, - подчеркнул Басс. - Хотя, конечно, многое зависит от особенностей конкретных приложений".

Для того чтобы снизить напряжение питания до 0,3 В, исследователям необходимо изменить архитектуру памяти и логических схем. "Что касается памяти, то вместо классической битовой ячейки, состоящей из шести транзисторов, нам нужно будет использовать битовую ячейку на основе восьми транзисторов, - пояснила Квонг. - Это поможет повысить надежность операций чтения. Благодаря увеличению числа транзисторов вероятность разрушения данных в ячейке памяти во время выполнения операции чтения заметно снижается. Ведь если происходит утечка данных из ячейки, возникает ошибка, и информация становится некорректной, а это заставляет чип переходить на более высокое напряжение питания".

Кроме того, в результате перепроектирования снижается восприимчивость строительных блоков логических схем к отклонениям в производственном процессе.

ИТ - медицине

По словам Басса, энергия, требуемая для управления чипом, становится настолько незначительной, что когда-нибудь для осуществления энергоснабжения имплантируемых медицинских устройств (например, кардиомониторов) вполне достаточно будет энергии человеческого тепла или энергии, вырабатываемой человеком в процессе движения.

"Энергопотребление выводится на такой уровень, что в дальнейшем напряжение питания можно будет получать от тепла человеческого тела или от энергии движения, - пояснил Басс. - Энергоснабжение часов, например, сегодня осуществляется за счет движения запястья при ходьбе. Если нам удастся уменьшить энергопотребление медицинских устройств до уровня часов, можно будет подумать о преобразовании энергии тепла тела или энергии движения. Принципиальная возможность такого решения существует, но не на нынешнем производственном уровне. Это тема для будущих исследований".

Президент компании Mercury Research Дэн Маккаррон указал, что в 60-е и в начале 70-х годов напряжение питания типовой компьютерной микросхемы составляло около 12 В. Десять лет назад эта величина уменьшилась до 5 В, а в последние три года упала до 1-2 В.

"Снижение напряжения питания - это основной источник сокращения энергопотребления систем, - отметил Маккаррон. - Трудность заключается в том, что при выводе напряжения на определенный уровень (обычно это примерно 0,8-0,9 В) заставить микросхему работать становится гораздо сложнее. Известно, что значение 0,9 В считается нижним порогом, - таким образом, эти парни замахнулись на то, чтобы пробить нижний уровень".

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями