Forskare från forskargruppen Green IC vid National University of Singapore (NUS) har uppfunnit en låg kostnad, no-battery wake-up timer i form av en on-chip-krets som avsevärt minskar strömförbrukningen för silikonchips för Internet of Things (IoT) sensornoder. Den nya väckningstimern från NUS-teamet visar för första gången uppnåendet av strömförbrukning ner till äkta picoWatt-intervall (1 miljard gånger lägre än en smart klocka).

"Vi har utvecklat en ny väckningstimer som fungerar i picoWatt-området, och minskar strömförbrukningen för sällan aktiva IoT-sensornoder med 1, 000 gånger. Som ett element av unikhet, vår väckningstimer behöver inga ytterligare kretsar, i motsats till konventionell teknik, som kräver perifera kretsar som förbrukar minst 1, 000 gånger mer kraft (t.ex. spänningsregulatorer). Detta är ett stort steg mot att påskynda utvecklingen av IoT-infrastruktur, och banar väg för den aggressiva miniatyriseringen av IoT-enheter för långvarig drift, " sa teamledare docent Massimo Alioto från institutionen för elektro- och datateknik vid NUS tekniska fakultet.

Forskningen genomfördes i samarbete med docent Paolo Crovetti från Politecnico di Torino i Italien.

Möjliggör långvariga IoT-applikationer

IoT-teknik, som kommer att driva förverkligandet av smarta städer och smart livsstil, kräver ofta omfattande implementering av smarta, miniatyriserade silikonchipssensorer med mycket låg strömförbrukning och decennier av batterilivslängd, och detta är fortfarande en stor utmaning hittills.

IoT-sensornoder är individuella miniatyriserade system som innehåller en eller flera sensorer, samt kretsar för databehandling, trådlös kommunikation och energihantering. För att hålla strömförbrukningen låg, de hålls i viloläge för det mesta, och väckningstimer används för att trigga sensorerna för att utföra en uppgift. Eftersom de är påslagna för det mesta, väckningstimer ställer in den lägsta strömförbrukningen för IoT-sensornoder. De spelar också en grundläggande roll för att minska den genomsnittliga strömförbrukningen för system-on-chip.

NUS-uppfinningen minskar avsevärt strömförbrukningen för väckningstimer som är inbäddade i IoT-sensornoder. "Under typisk kontorsbelysning, vår nya väckningstimer kan drivas av en mycket liten on-chip solcell som har en diameter som liknar den hos ett hårstrå. Det kan också bäras av ett batteri i millimeterskala i årtionden, " Docent Prof Alioto förklarade.

Detta teknikgenombrott offentliggjordes vid 2018 års symposia om VLSI Technology and Circuits i Honolulu, Hawaii, det främsta globala forumet där framstegen inom solid-state-kretsar och system-on-chip presenteras.

Ultralåg strömförbrukning

NUS-teamets innovativa väckningstimer för picoWatt-intervallet har den oöverträffade förmågan att fungera utan någon spänningsregulator på grund av dess minskade känslighet för matningsspänning, sålunda undertrycker den extra effekt som konventionellt förbrukas av sådana perifera alltid påslagna kretsar. Väckningstimern kan också fortsätta att fungera även när batteriet inte är tillgängligt och med mycket knapp omgivningseffekt, som demonstreras av en miniatyriserad solcell på chip exponerad för månljus.

Betydande minskning av produktionskostnaden

Dessutom, teamets väckningstimer kan uppnå långsam och sällsynt väckning med en mycket liten kondensator på chipet (en halv picoFarad). Detta bidrar till att avsevärt minska kiseltillverkningskostnaderna på grund av den lilla yta (40 mikrometer på varje sida) som krävs.

"Övergripande, detta genombrott uppnås genom enkelhet på systemnivå via kretsinnovation. Vi har demonstrerat kiselchips med betydligt lägre effekt som kommer att definiera profilen för nästa generations IoT-noder. Detta kommer att bidra till att förverkliga den ultimata visionen om billiga, millimeterskala och så småningom, batterifria sensornoder, " sa forskarteammedlemmen Dr. Orazio Aiello, som är gästforskare vid institutionen.

Nästa steg

Teamet arbetar för närvarande med låg kostnad, lätt att integrera, energiautonoma kiselsystem med energiförbrukning som sträcker sig från picoWatt till sub-nanoWatt. Dessa kritiska delsystem kommer att göra framtida batterifria sensorer till verklighet, med slutmålet att bygga ett komplett batterifritt system-på-chip. Detta kommer att vara ett stort steg mot förverkligandet av IoT-visionen över hela världen.