Onderzoekers van de onderzoeksgroep Green IC van de National University of Singapore (NUS) hebben een goedkope, wektimer zonder batterij in de vorm van een on-chip circuit dat het stroomverbruik van siliciumchips voor Internet of Things (IoT)-sensornodes aanzienlijk vermindert. De nieuwe wektimer van het NUS-team demonstreert voor het eerst het bereiken van het stroomverbruik tot een echt picoWatt-bereik (1 miljard keer lager dan een smartwatch).

"We hebben een nieuwe wektimer ontwikkeld die werkt in het picoWatt-bereik, en vermindert het stroomverbruik van zelden actieve IoT-sensornodes met 1, 000 keer. Als een uniek element, onze wektimer heeft geen extra circuit nodig, in tegenstelling tot conventionele technologieën, waarvoor perifere circuits nodig zijn die ten minste 1 verbruiken 000 keer meer vermogen (bijv. spanningsregelaars). Dit is een belangrijke stap in het versnellen van de ontwikkeling van IoT-infrastructuur, en maakt de weg vrij voor de agressieve miniaturisering van IoT-apparaten voor langdurige operaties, " zei teamleider universitair hoofddocent Massimo Alioto van de afdeling Electrical and Computer Engineering van de NUS-faculteit Ingenieurswetenschappen.

Het onderzoek is uitgevoerd in samenwerking met universitair hoofddocent Paolo Crovetti van de Politecnico di Torino in Italië.

Duurzame IoT-toepassingen mogelijk maken

IoT-technologieën, die de realisatie van slimme steden en slim wonen zal stimuleren, vereisen vaak de uitgebreide inzet van slimme, geminiaturiseerde siliciumchipsensoren met een zeer laag stroomverbruik en een batterijlevensduur van tientallen jaren, en dit blijft tot op heden een grote uitdaging.

IoT-sensornodes zijn individuele geminiaturiseerde systemen met een of meer sensoren, evenals circuits voor gegevensverwerking, draadloze communicatie en energiebeheer. Om het stroomverbruik laag te houden, ze worden meestal in de slaapstand gehouden, en wektimers worden gebruikt om de sensoren te activeren om een ​​taak uit te voeren. Omdat ze meestal zijn ingeschakeld, wektimers stellen het minimale stroomverbruik van IoT-sensorknooppunten in. Ze spelen ook een fundamentele rol bij het verminderen van het gemiddelde stroomverbruik van systems-on-chip.

De NUS-uitvinding vermindert het energieverbruik van wektimers die zijn ingebed in IoT-sensornodes aanzienlijk. "Onder typische kantoorverlichting, onze nieuwe wektimer kan worden aangedreven door een zeer kleine on-chip zonnecel met een diameter die vergelijkbaar is met die van een mensenhaar. Het kan ook tientallen jaren worden ondersteund door een batterij op millimeterschaal, "Asoc Prof Alioto legde uit.

Deze technologische doorbraak werd openbaar gemaakt op de 2018 Symposia on VLSI Technology and Circuits in Honolulu, Hawaii, het belangrijkste wereldwijde forum waar vorderingen op het gebied van solid-state circuits en systems-on-chip worden gepresenteerd.

Ultra-laag stroomverbruik

De innovatieve wektimer uit het picoWatt-bereik van het NUS-team heeft het ongekende vermogen om zonder spanningsregelaar te werken vanwege de verminderde gevoeligheid voor voedingsspanning, waardoor het extra vermogen wordt onderdrukt dat conventioneel wordt verbruikt door dergelijke perifere always-on-circuits. De wektimer kan ook doorgaan met werken, zelfs als de batterij niet beschikbaar is en bij zeer schaarse omgevingsstroom, zoals aangetoond door een geminiaturiseerde zonnecel op een chip die wordt blootgesteld aan maanlicht.

Aanzienlijke verlaging van de productiekosten

In aanvulling, de wektimer van het team kan een langzame en onregelmatige wektijd bereiken met behulp van een zeer kleine condensator op de chip (een halve picoFarad). Dit helpt de fabricagekosten van silicium aanzienlijk te verlagen vanwege het kleine benodigde oppervlak (40 micrometer aan elke kant).

"Algemeen, deze doorbraak wordt bereikt door eenvoud op systeemniveau via circuitinnovatie. We hebben siliciumchips gedemonstreerd met een aanzienlijk lager vermogen die het profiel van de volgende generatie IoT-knooppunten zullen bepalen. Dit zal bijdragen aan het realiseren van de ultieme visie van goedkope, millimeterschaal en uiteindelijk batterijvrije sensorknopen, " zei onderzoeksteamlid Dr. Orazio Aiello, die gastonderzoeker is op de afdeling.

Volgende stappen

Het team werkt momenteel aan goedkope, gemakkelijk te integreren, energie-autonome siliciumsystemen met een stroomverbruik variërend van picoWatt tot sub-nanoWatt. Deze kritieke subsystemen zullen toekomstige batterijloze sensoren werkelijkheid maken, met als einddoel een compleet batterijloos systeem-op-chip te bouwen. Dit zal een grote stap zijn in de wereldwijde realisatie van de IoT-visie.