Løsning af batterifrie enheder kortsigtet hukommelsestab

I årtier, forskere har ledt efter et bedre batteri. Nu præsenterer et internationalt team en dristig ny løsning:dropp batteriet helt.

Ledet af Northwestern University og Delft University of Technology (TU Delft) i Holland, forskerne har designet og udviklet et nyt system, der gør det muligt for batterifrie enheder at holde tid under periodiske strømafbrydelser, løsning af et kritisk problem, der har bremset forskningen på området.

Mange små, batterifri Internet of Things (IoT)-enheder kunne fungere ved at høste omgivende energi, såsom sol, kinetisk og termisk kraft. Hvis fuldt vedtaget, Brug af disse enheder ville forhindre billioner af brugte batterier i at komme på lossepladser. Men fordi de skifter mellem strømkilder, batterifri enheder notorisk oplever hyppige, korte strømtab.

"Naturligt, fjernelse af batterier har konsekvenser, " sagde TU Delfts Przemyslaw Pawelczak, som var med til at lede forskningen. "Det betyder at have lavere lagerkapacitet og lavere pålidelighed. Energi høstet fra miljøet er ikke altid forudsigelig."

"Vi har omfavnet dette og bygget et system, der samler fragmenterede perioder med henrettelse, " sagde Northwesterns Josiah Hester, som var med til at lede forskningen. "Vi byggede et brugerdefineret system, der pålideligt holder styr på tiden på trods af adskillige strømsvigt og afbrydelser for enhver IoT-enhed."

Hester og Pawelczak præsenterede deres arbejde virtuelt i foråret på det årlige møde for Architectural Support for Programming Languages ​​and Operating Systems (ASPLOS) 2020. Holdet præsenterede to papirer:Et, der skitserer hardware til det nye tidtagningskredsløb, og et andet, der demonstrerer, at kredsløbet kan bruges til at konvertere batteridrevne enheder til batterifrie enheder.

Hester er assisterende professor i datalogi og elektro- og computerteknik ved Northwesterns McCormick School of Engineering. Pawelczak er adjunkt i TU Delfts Embedded Software Lab.

Tiden er på vores side

Tidtagning er en af ​​de mest vitale ressourcer for ethvert computersystem. Underliggende næsten alle systemtjenester og sikkerhedsfunktioner, tidtagning hjælper computeren med at holde styr på kørende applikationer. De fleste mennesker, imidlertid, Bemærk først tidtagningsfunktionen, når den holder op med at virke.

Hvis du nogensinde har mistet strømmen, mens du arbejder ved din computer, for eksempel, så kender du smerten ved at prøve at genstarte systemet. Computeren kan tage flere minutter at genstarte, da den skal huske, hvor du slap og køre gennem en liste over handlinger. Og så, selv når computeren er oppe og køre igen, ikke-gemt arbejde kan gå tabt.

Hvis dette skete hver gang en lille IoT-enhed – såsom et smartur, fitness tracker, overvågningskamera, smart termostat eller medicinsk sensor – kortvarigt tabt strøm, disse enheder ville i det væsentlige være ubrugelige.

Det er det smukke ved Hester og Pawelczaks system. En lille enhed kan kortvarigt miste strøm, men den mister aldrig sin tidsfornemmelse. Det betyder, at den kan genstarte så hurtigt, at du måske ikke engang bemærker, at enheden mistede strømmen i første omgang.

"Vores enhed muliggør hurtig rekonstruktion af tid og tilstand fra 'brødkrummer', vi efterlod, vi efterlader før et strømsvigt, " sagde Hester.

Omgå batterier

Hester og Pawelczak er motiveret af deres overordnede mål om at reducere antallet af lithium-ion-batterier, der kommer ind i miljøet hvert år. Ikke alene er lithiumminedrift utrolig energi- og vandintensiv, lithium er et brandfarligt, giftigt materiale, der endda kan brænde i genbrugsanlæg.

Store teknologivirksomheder vurderer nu, at vi kan se billioner flere IoT-enheder inden for de næste 50 år. Det er mange brugte og til sidst kasserede batterier.

"At arbejde på batterifrie energihøstsystemer er indlysende, i betragtning af den miljøpåvirkning, der følger med batterier, " sagde Pawelczak. "Vi kender ikke det nøjagtige antal nye enheder, der vil dukke op, men ingen tvivler på, at mængden af ​​enheder er enorm, og mere og mere forbrugerelektronik vil blive drevet af batterier. Disse batterier skal udskiftes og senere genbruges, så vi er nødt til at udvikle et system, der reducerer CO2-fodaftrykket fra elektronik."

"Hvis vi håber at have en vision om databehandling, der er bæredygtig, så er vi nødt til at genoverveje, hvordan vi designer disse systemer, " Hester tilføjede. "Vores teknologi vil informere designet af de næste billioner enheder og muliggøre IoT, der er praktisk, skalerbar og nyttig."