Ny teknologi forlænger batterilevetiden dramatisk for mobile enheder

Teknofiler, der har drømt om mobile enheder, der kører længere på lightere, slankere batterier kan snart opdage, at deres ønske er blevet opfyldt.

University of Illinois ingeniører har udviklet en form for ultra-low-power digital hukommelse, der er hurtigere og bruger 100 gange mindre energi end tilsvarende tilgængelig hukommelse. Teknologien kan give fremtidige bærbare enheder meget længere batterilevetid mellem opladninger.

Ledet af el- og computeringeniørprofessor Eric Pop, holdet vil offentliggøre sine resultater i et kommende nummer af Videnskab magasin og online den 10. marts Science Express.

"Jeg tror, ​​at alle, der beskæftiger sig med en masse opladere og tilslutter ting hver nat, kan forholde sig til at ville have en mobiltelefon eller bærbar computer, hvis batterier kan holde i uger eller måneder, " sagde Pop, som også er tilknyttet Beckman Institute for Advanced Science and Technology i Illinois.

Flash-hukommelsen, der bruges i mobile enheder i dag, gemmer bits som opladning, som kræver høje programmeringsspændinger og er relativt langsom. Industrien har udforsket hurtigere, men højere effekt fase-ændring materialer (PCM) som et alternativ. I PCM-hukommelsen er der lagret en smule i materialets modstand, som er omskiftelig.

Pops gruppe sænkede effekten pr. bit til 100 gange mindre end eksisterende PCM-hukommelse ved at fokusere på en simpel, dog nøglefaktor:størrelse.

I stedet for metaltrådsstandarden i industrien, gruppen brugte kulstof nanorør, små rør kun få nanometer i diameter – 10, 000 gange mindre end et menneskehår.

"Energiforbruget er i det væsentlige skaleret med volumen af ​​hukommelsesbitten, " sagde kandidatstuderende Feng Xiong, avisens første forfatter. "Ved at bruge nanoskala kontakter, vi er i stand til at opnå meget mindre strømforbrug."

For at skabe lidt, forskerne placerer en lille mængde PCM i et hul på nanoskala dannet i midten af ​​et kulstofnanorør. De kan tænde og slukke for bittet ved at føre små strømme gennem nanorøret.

"Carbon nanorør er de mindste kendte elektroniske ledere, " sagde Pop. "De er bedre end noget metal til at levere et lille stød elektricitet for at zappe PCM-bitten."

Nanorør har også en ekstraordinær stabilitet, da de ikke er modtagelige for den nedbrydning, der kan plage metaltråde. Ud over, PCM'en, der fungerer som den faktiske bit, er immun over for utilsigtet sletning fra en forbipasserende scanner eller magnet.

PCM-bits med lav effekt kunne bruges i eksisterende enheder med en betydelig forøgelse af batterilevetiden. Lige nu, en smartphone bruger omkring en watt energi, og en bærbar computer kører på mere end 25 watt. Noget af den energi går til skærmen, men en stigende procentdel er dedikeret til hukommelsen.

"Hver gang du kører en app, eller lagring af MP3'er, eller streaming af videoer, det dræner batteriet, " sagde Albert Liao, en kandidatstuderende og medforfatter. "Hukommelsen og processoren arbejder hårdt på at hente data. Efterhånden som folk bruger deres telefoner til at foretage opkald mindre og bruger dem til at beregne mere, Det er vigtigt at forbedre datalagringen og -hentningsoperationerne."

Pop mener, at sammen med forbedringer i skærmteknologi, nanorørets PCM-hukommelse kunne øge en iPhones energieffektivitet, så den kunne køre i længere tid på et mindre batteri, eller endda til det punkt, hvor den kunne løbe blot ved at høste sin egen varme, mekanisk eller solenergi – intet batteri påkrævet.

And device junkies will not be the only beneficiaries.

"We're not just talking about lightening our pockets or purses, " Pop said. "This is also important for anything that has to operate on a battery, such as satellites, telecommunications equipment in remote locations, or any number of scientific and military applications."

Ud over, ultra-low-power memory could cut the energy consumption – and thus the expense – of data storage or supercomputing centers by a large percentage. The low-power memory could also enable three-dimensional integration, a stacking of chips that has eluded researchers because of fabrication and heat problems.

The team has made and tested a few hundred bits so far, and they want to scale up production to create arrays of memory bits that operate together. They also hope to achieve greater data density through clever programming such that each physical PCM bit can program two data bits, called multibit memory.

The team is continuing to work to reduce power consumption and increase energy efficiency even beyond the groundbreaking savings they've already demonstrated.

"Even though we've taken one technology and shown that it can be improved by a factor of 100, we have not yet reached what is physically possible. We have not even tested the limits yet. I think we could lower power by at least another factor of 10, " Pop said.