Innovativ metode fører til mindre, billigere IoT-sensorer

Forskere fra forskergruppen Green IC ved National University of Singapore (NUS) har opfundet en lavpris, no-battery wake-up timer i form af et on-chip kredsløb, der væsentligt reducerer strømforbruget af siliciumchips til Internet of Things (IoT) sensornoder. Den nye wake-up timer fra NUS-teamet demonstrerer for første gang opnåelsen af ​​strømforbrug ned til ægte picoWatt-område (1 milliard gange lavere end et smartur).

"Vi har udviklet en ny opvågningstimer, der fungerer i picoWatt-området, og reducerer strømforbruget for sjældent aktive IoT-sensornoder med 1, 000 gange. Som et element af unikhed, vores wake-up timer har ikke brug for yderligere kredsløb, i modsætning til konventionelle teknologier, som kræver perifere kredsløb, der forbruger mindst 1, 000 gange mere strøm (f.eks. spændingsregulatorer). Dette er et stort skridt i retning af at accelerere udviklingen af ​​IoT-infrastruktur, og baner vejen for den aggressive miniaturisering af IoT-enheder til langvarige operationer, " sagde teamleder lektor Massimo Alioto fra Institut for Elektro- og Computerteknik ved NUS Fakultet for Ingeniørvidenskab.

Forskningen er udført i samarbejde med lektor Paolo Crovetti fra Politecnico di Torino i Italien.

Muliggør langtidsholdbare IoT-applikationer

IoT-teknologier, som vil drive realiseringen af ​​smarte byer og smart livsstil, kræver ofte omfattende implementering af smart, miniaturiserede silicium-chip-sensorer med meget lavt strømforbrug og årtiers batterilevetid, og dette er fortsat en stor udfordring til dato.

IoT-sensornoder er individuelle miniaturiserede systemer, der indeholder en eller flere sensorer, samt kredsløb til databehandling, trådløs kommunikation og strømstyring. For at holde strømforbruget lavt, de holdes i dvaletilstand det meste af tiden, og wake-up timere bruges til at udløse sensorerne til at udføre en opgave. Da de er tændt det meste af tiden, Wake-up timere indstiller minimumsstrømforbruget for IoT-sensorknuder. De spiller også en grundlæggende rolle i at reducere det gennemsnitlige strømforbrug for system-on-chip.

NUS-opfindelsen reducerer væsentligt strømforbruget for wake-up-timere, der er indlejret i IoT-sensorknudepunkter. "Under typisk kontorbelysning, vores nye wake-up timer kan drives af en meget lille on-chip solcelle, der har en diameter svarende til den af ​​et hårstrå. Det kan også holdes af et millimeterskalabatteri i årtier, " Forklarede professor Alioto.

Dette teknologigennembrud blev offentliggjort på 2018 Symposia on VLSI Technology and Circuits i Honolulu, Hawaii, det førende globale forum, hvor fremskridt inden for solid-state kredsløb og systemer-på-chip præsenteres.

Ultralavt strømforbrug

NUS-teamets innovative wake-up timer i picoWatt-området har den hidtil usete evne til at fungere uden nogen spændingsregulator på grund af dens reducerede følsomhed over for forsyningsspænding, således undertrykke den yderligere effekt, der konventionelt forbruges af sådanne perifere altid tændte kredsløb. Wake-up timeren kan også fortsætte driften, selv når batteriet ikke er tilgængeligt og under meget knap omgivende strøm, som demonstreret af en miniaturiseret on-chip solcelle udsat for månelys.

Betydelig reduktion i produktionsomkostninger

Ud over, holdets wake-up timer kan opnå langsom og sjælden vækning ved hjælp af en meget lille on-chip kondensator (en halv picoFarad). Dette er med til at reducere omkostningerne til fremstilling af silicium betydeligt på grund af det lille areal (40 mikrometer på hver side), der kræves.

"Samlet set, dette gennembrud opnås gennem enkelhed på systemniveau via kredsløbsinnovation. Vi har demonstreret siliciumchips med væsentligt lavere effekt, der vil definere profilen af ​​næste generations IoT-noder. Dette vil bidrage til at realisere den ultimative vision om billig, millimeterskala og til sidst, batterifri sensorknudepunkter, " sagde forskerteammedlem Dr. Orazio Aiello, som er gæsteforsker ved instituttet.

Næste skridt

Teamet arbejder i øjeblikket på lavpris, let at integrere, energiautonome siliciumsystemer med strømforbrug fra picoWatt til sub-nanoWatt. Disse kritiske undersystemer vil gøre fremtidige batterifrie sensorer til en realitet, med det endelige mål at bygge et komplet batterifrit system-på-chip. Dette vil være et stort skridt hen imod realiseringen af ​​IoT-visionen på verdensplan.