211service.com
Picowatt procesors
Pēc neilga laika mūsu ķermenī var tikt implantēti sensori, lai veiktu tādas darbības kā glikozes līmeņa noteikšana asinīs diabēta slimniekiem vai tīklenes spiediens glaukomas pacientiem. Bet, lai tas būtu praktiski, tiem ir jābūt ļoti maziem — tik maziem kā smilšu graudiņam — un jāizmanto tikpat maza izmēra ilgstošas akumulatori — šāda kombinācija šodien nav komerciāli pieejama.
Maksimālā jauda: Šis mazais procesors, ko sauc par Phoenix, patērē par 90 procentiem mazāk enerģijas nekā mūsdienu tirgū visefektīvākā mikroshēma. Tas varētu nodrošināt implantējamus medicīniskos sensorus, ko darbina mazas baterijas.
Tagad Mičiganas universitātes pētnieki ir izveidojuši procesoru, kas aizņem tikai vienu milimetru kvadrātu un kura enerģijas patēriņš ir tik zems, ka topošās tāda paša izmēra plānās plēves baterijas varētu darbināt to 10 gadus vai ilgāk, saka Deivids Blauvs , Mičiganas elektrotehnikas un datorzinātņu profesors un viens no projekta vadošajiem pētniekiem.
Bet, ja šis procesors, kas nodēvēts par Phoenix, tiek savienots ar akumulatoru, visa pakete būtu tikai kubikmilimetra tilpums. Blaauw saka, ka šādā mērogā varētu būt iespējams izveidot mikroshēmu biezā kontaktlēcā un izmantot to, lai uzraudzītu spiedienu acī, kas būtu noderīgi glaukomas noteikšanai. To var arī implantēt zem ādas, lai noteiktu glikozes līmeni zemādas šķidrumā. Plašāk runājot, šo mazjaudas pieeju procesora projektēšanai varētu izmantot, piemēram, vides sensoros, kas uzrauga piesārņojumu, vai strukturālas veselības sensoros.
Procesors dīkstāvē patērē tikai aptuveni 30 pilovatus (pivats ir viena miljonā daļa no vienas miljonās vata). Kad procesors ir aktīvs, vienā skaitļošanas ciklā procesors patērē tikai 2,8 pidžoulus enerģijas. Šis daudzums ir aptuveni desmitā daļa no enerģijas, ko patērē energoefektīvākās tirgū esošās mikroshēmas, saka Jans Rābejs , elektrotehnikas un datorzinātņu profesors Kalifornijas Universitātē Bērklijā, kurš nebija iesaistīts pētījumā.
Mičiganas komandas galvenā ideja bija izstrādāt mikroshēmu, kas darbojas ar ārkārtīgi zemu spriegumu. Lai gan personālo datoru mikroprocesoriem var būt nepieciešami divi volti elektrības vienai darbībai, Phoenix ir nepieciešami tikai 500 milivolti jeb par 75 procentiem mazāk.
Pie šāda sprieguma dažas mikroshēmas daļas nedarbojas labi, skaidro Blauvs, tāpēc viņa komanda pārveidoja mikroshēmas atmiņu, kas ir mazāka nekā lielākā daļa procesora atmiņu, un tās iekšējo pulksteni, lai tā varētu darboties ar minimālu elektrisko ievadi. Mikroshēmas pulkstenis — pulkstenis, kas sinhronizē skaitļu saspiešanas darbības — ir samazināts līdz ārkārtīgi lēnam 100 kilohercu ātrumam pretstatā personālo datoru gigahercu ātrumam. Šī pieeja ir jēga sensoriem, saka Blaauw. Ja mēs vēlamies uzraudzīt spiedienu acī… mums ir jāveic rādījumi tikai ik pēc dažām minūtēm, viņš saka.
Turklāt pētnieki pievērsa īpašu uzmanību enerģijas zudumiem, kas rodas, kamēr mikroshēma ir miega režīmā vai neapkopo vai neapstrādā datus. Tranzistori jaunākajos datoros ir izgatavoti, izmantojot 45 nanometru procesu, kurā mikroshēmas elementi ir 45 nanometri lieli. Lai gan tas ļauj izmantot vairāk tranzistoru mazākā mikroshēmā, tas arī rada elektrisko noplūdi, kas rodas materiālu fizikas dēļ šajā mērogā. Blaau un viņa komanda izvēlējās lielākus tranzistorus, kas izgatavoti, izmantojot 180 nanometru procesu, no iepriekšējās paaudzes mikroshēmām. Šie tranzistori atrodas patīkamā vietā, saka Blaauw. Tie ir pietiekami lieli, lai tiem būtu minimāla noplūde, un tomēr pietiekami mazi, lai pētnieki varētu ievietot lielu skaitu viena milimetra kvadrātveida mikroshēmā.
Lai vēl vairāk samazinātu noplūdi, pētnieki pievienoja īpašus tranzistorus, kas pilnībā izslēdza strāvas padevi apstrādes tranzistoriem, kad mikroshēma atrodas gaidstāves režīmā. Blaauw saka, ka šī ir izplatīta pieeja, taču viņa komanda izmantoja to līdz galējībai un veltīja daudz vairāk mikroshēmas nekā parasti šiem strāvas padeves tranzistoriem. Ja parasts [mikroshēmu] dizainers uz to paskatītos, viņš teiktu: 'Tu esi no prāta,' saka Blauvs. Bet tas sniedz mums nepieciešamo enerģijas taupīšanas kompromisu. Rezumējot, pētnieki apvienoja vairākus jau esošos trikus un precizēja tos, lai sasniegtu rekordzemu enerģijas patēriņu.
Mičiganas komanda, kuru arī vada Deniss Silvestrs , elektrotehnikas un datorzinātņu profesoram, joprojām ir jāpievieno akumulators Phoenix, un tam ir jāizstrādā veids, kā datus izlādēt no mikroshēmas turpmākai analīzei. Kad tas ir izdarīts, pētnieki var strādāt pie pilnīgas integrācijas bioloģiskajā sistēmā, kas varētu ilgt vairākus gadus.
Berkeley's Rabaey, kurš raksta grāmatu par mazjaudas procesoriem, saka, ka darbs ir nozīmīgs. Viņš saka, ka mani pārsteidza tas, ka viņi to ir noveduši līdz diezgan ekstrēmiem skaitļiem. Enerģijas patēriņš ir ārkārtīgi zems. Neviens cits tam nav pietuvojies. Rabaey atzīmē, ka šis procesors ir paredzēts īpašām sensoru lietojumprogrammām un ka tas drīzumā netiks parādīts mobilajā tālrunī. Tomēr tas ir svarīgs solis ceļā uz implantējamu medicīnisko sensoru izveidi, kuru baterijas var darboties gadiem ilgi.
Šīs zemsprieguma mikroshēmas ideja nav jauna, saka Rabaey: tā ir veiksmīgi izmantota pulksteņu nozarē gadu desmitiem. Taču pēdējos gados akadēmiskās un nozares interese par šādu dizainu ir uzplaukusi, jo inženieri pēta daudzveidīgākus un visuresošākus sensoru lietojumus — ierīces, kurām ir nepieciešami enerģijas taupīšanas triki, lai tie būtu praktiski.