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Milliwatt con Mega Impatto
Nell'MTL A sinistra, Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '09 e Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, discutono di un chip microcontrollore ad alta efficienza energetica che opera a tensioni molto basse. A destra, Patrick Mercier, SM '08, e Denis Daly, SM '05, PhD '09, testano le tensioni di alimentazione per un chip utilizzato per controllare il volo di una falena.
Quando Anantha Chandrakasan si alzò per tenere il suo discorso alla Conferenza internazionale sui circuiti a stato solido del 1994, una folla riempì rapidamente la stanza e si riversò nei corridoi. Decine di persone non sono riuscite ad avvicinarsi abbastanza per sentire. Così gli organizzatori hanno deciso di fare qualcosa che non avevano mai fatto prima per un discorso su una nuova ricerca e che non hanno mai fatto da allora: hanno chiesto a Chandrakasan, che allora era studente di dottorato all'UC Berkeley, di fare di nuovo la sua presentazione, in modo che la folla delle persone che se l'era perso la prima volta poteva sentire quello che aveva da dire.
Il discorso di Chandrakasan riguardava il suo lavoro di progettazione di un chip efficiente dal punto di vista energetico, un approccio radicalmente nuovo alla progettazione di circuiti che avrebbe innescato una rivoluzione nel campo. Dennis Buss '63, SM '65, EE '66, PhD '68, ora capo scienziato alla Texas Instruments, rimase così colpito che si sedette due volte durante il discorso. All'epoca, i circuiti tipici utilizzavano una potenza cento volte maggiore rispetto ai progetti presentati da Chandrakasan. Ha scioccato l'industria, ricorda Buss.
Per decenni, i dispositivi elettronici sono diventati sempre più veloci e più piccoli a un ritmo rapido. Più veloci diventavano, più potenza richiedevano. Ma la proliferazione di dispositivi elettronici portatili come computer portatili e telefoni cellulari e la promessa di una nuova generazione di piccoli dispositivi di monitoraggio medico e ambientale hanno suggerito che la riduzione del consumo energetico potrebbe offrire enormi vantaggi. Le possibilità allettanti includevano una durata della batteria notevolmente estesa e persino, in alcuni casi, l'eliminazione totale della batteria. Non c'è da stupirsi che la gente si fosse messa in fila per sentirlo.
La rivoluzione che Chandrakasan ha contribuito a lanciare nei primi anni '90 ha portato i produttori di chip a pensare in modo diverso. Invece di concentrarsi esclusivamente sulla velocità di clock del processore, hanno iniziato a considerare l'efficienza energetica come un obiettivo. Questo cambiamento di punto di vista ha reso possibili dispositivi come netbook e smartphone. Ora Chandrakasan, professore di ingegneria elettrica e direttore dei Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT, sta supervisionando quella che spera sarà una seconda rivoluzione, una che ridurrà nuovamente il consumo di energia. L'elettronica che non necessita affatto delle batterie tradizionali potrebbe finalmente essere all'orizzonte.
Lento ma potente
Lo storico discorso ISSCC di Chandrakasan è stato il culmine del lavoro iniziato nell'estate del 1991, su iniziativa del suo relatore di tesi, Robert Brodersen, SM '68, EE '68, PhD '72. Quella primavera, mentre ascoltava una discussione in un'altra grande conferenza sul consumo di energia nei dispositivi portatili come i telefoni cellulari, Brodersen ebbe un'illuminazione. Mi ha colpito e ho detto perbacco, il potere è la cosa più cruciale a cui pensare, dice. Così lui, Chandrakasan e un altro studente laureato, Samuel Sheng (ora direttore tecnico di Telegent Systems), iniziarono a incontrarsi più volte alla settimana per lanciare idee per ridurre il fabbisogno energetico dei circuiti elettronici. Quei ragazzi sono appena andati dietro a questa cosa, ricorda Brodersen.
Oltre a pensare a come far consumare meno energia ai circuiti, hanno anche considerato le implicazioni del raggiungimento di tale obiettivo. Si sono concentrati su ciò che sarebbe stato necessario per produrre capacità di comunicazione e elaborazione multimediale complete in un dispositivo di input penna piccolo, sottile e portatile che potrebbe continuare a funzionare per ore con le sole batterie. Prescientemente, hanno chiamato il loro progetto Infopad, quasi due decenni prima che un dispositivo molto simile con un nome molto simile stabilisse i record di tutti i tempi per le vendite di un nuovo tipo di prodotto elettronico.
Quando hanno iniziato, era tutt'altro che chiaro che ciò che stavano tentando fosse possibile e c'erano molti scettici. Pochi altri ci stavano provando, spiega Brodersen: La sensazione di base nell'industria a quel tempo era che non ci fossero più problemi di alimentazione. Dopotutto, una nuova generazione di chip basata sulla tecnologia dei semiconduttori a ossido di metallo complementare (CMOS) aveva già prodotto un grande miglioramento nel consumo di energia. I circuiti CMOS non consumavano costantemente energia come avevano fatto i circuiti precedenti, perché usavano energia solo durante l'esecuzione dei calcoli. La maggior parte delle persone pensava che CMOS avesse risolto il problema, dice.
Non Chandrakasan. Sapevo che con questi dispositivi wireless, l'energia sarebbe stata una questione chiave, dice.
Durante il brainstorming insieme quell'estate, Brodersen, Chandrakasan e Sheng si resero conto che il tipo di efficienza che stavano cercando avrebbe dovuto subire una sorta di grande cambiamento. Una possibilità che hanno considerato era una drastica riduzione della tensione operativa dei chip. Ma questo aveva i suoi problemi: il tentativo di ridurre le prestazioni di tensione degradava così tanto che i chip diventavano rapidamente inutili, afferma Brodersen. Avevano bisogno di qualcos'altro.
Scheda di prova per valutare un chip per la raccolta di energia.
Alla fine, hanno avuto l'idea del parallelismo e Chandrakasan ha fatto i calcoli e le simulazioni che hanno dimostrato che avrebbe funzionato. I circuiti convenzionali potrebbero essere fatti funzionare a bassa tensione se anche la loro velocità fosse molto bassa. Fare più cose contemporaneamente, si resero conto, avrebbe potuto compensare la mancanza di velocità in modo da ottenere la stessa quantità di lavoro.
Alla fine di quell'estate, avevano leccato il problema, almeno in linea di principio. Hanno pubblicato un articolo nel 1992 in IEEE Giornale dei circuiti a stato solido , la rivista leader nel settore, delineando la propria visione di un chip efficiente dal punto di vista energetico che compenserebbe la perdita di velocità attraverso operazioni parallele. Il documento descriveva i metodi per realizzare chip per computer e altri circuiti integrati che potevano funzionare con una fonte di alimentazione da un volt, invece dei cinque volt che erano allora standard, qualcosa che Chandrakasan dice che la gente non pensava fosse possibile all'epoca. Come autore principale, Chandrakasan ha riassunto quello che sarebbe diventato il suo lavoro di tesi di dottorato. Più di un decennio dopo, quel rapporto sul progetto di ricerca di uno studente è rimasto il secondo articolo più citato nella storia della rivista.
Quando Chandrakasan tenne il suo discorso alla conferenza ISSC nel 1994, la visione era diventata realtà. Dopo aver gettato le basi teoriche nel documento precedente, ha dimostrato la produzione di un set di sei chip funzionante in grado di eseguire tutte le funzioni di elaborazione, audio e video necessarie per il suo prototipo di Infopad. Consumava solo cinque milliwatt, circa un centesimo della potenza di circuiti comparabili all'epoca.
Seduto nel suo ufficio al MIT, Chandrakasan sorride mentre ricorda il momento in cui tutte le parti si sono unite. Solo nel suo laboratorio di Berkeley nelle prime ore del mattino, ha finalmente ottenuto il video in full motion per iniziare lo streaming sul monitor dal suo circuito da 1,1 volt. È stato un grande momento per vedere l'intero sistema funzionare, dice. È stato molto emozionante. Ma non sentiva di poter svegliare il suo professore nel cuore della notte; ha aspettato fino al mattino per chiamare Brodersen con la notizia.
Questa elettronica a bassa tensione e bassa potenza si è ormai diffusa, soprattutto con la proliferazione di nuove generazioni di dispositivi elettronici più piccoli e potenti come gli smartphone. I concetti che l'industria considerava radicali, innovativi e visionari nel 1994 sono oggi di uso comune, afferma Buss.
Un'idea prende il volo
Dopo aver conseguito il dottorato nel 1994, Chandrakasan è arrivato direttamente al MIT, dove è diventato direttore dell'MTL nel 2006. Si è subito messo al lavoro per cercare di realizzare un'elettronica che potesse prosperare con un alimentatore ancora più scadente. In questi giorni, lui e i suoi studenti stanno lavorando su chip che funzionano a 0,3 volt. Gli alunni MTL Vivienne Sze, SM '06, PhD '10 e Daniel Finchelstein '05, PhD '09, hanno già sviluppato un chip di decodifica video ad alta definizione a bassissima potenza che funziona a 0,7 volt. I ricercatori di MTL stanno cercando di ridurre i requisiti di alimentazione a un livello così basso che l'elettronica potrebbe funzionare, senza batterie, con l'energia di scarto recuperata da piccoli movimenti o dal calore corporeo. E stanno iniziando a lavorare sui modi per utilizzare tali chip, una sfida che significa massimizzare l'efficienza di tutti gli elementi di un sistema complesso e, contemporaneamente, dei modi in cui si collegano tra loro. Devi guardare l'intero sistema e assicurarti che ogni blocco sia a bassa potenza, afferma l'ex studente MTL Denis Daly, SM '05, PhD '09, che ora lavora per Cambridge Analog Technologies, una startup locale composta principalmente da MIT alunni e docenti. Sei a bassa potenza solo quanto il tuo anello più debole.
Quando gli scienziati di MTL hanno iniziato a ricercare come integrare tali componenti a bassa potenza in sistemi completi, una falena ha aiutato a indicare la strada. Nel 2006, i ricercatori del MIT hanno ricevuto una sovvenzione federale per sviluppare un sistema in grado di controllare il volo di una falena vivente o di un altro insetto come una piccola piattaforma potenzialmente autosufficiente per la raccolta di informazioni ambientali. Le falene hanno capacità di volo molto sofisticate, spiega Patrick Mercier, SM '08, dottorando in ingegneria elettrica e informatica, uno degli studenti del laboratorio di Chandrakasan che ha preso parte al progetto. I dispositivi meccanici non si avvicinano nemmeno alla loro efficienza.
Divenne subito evidente che l'elettronica necessaria per l'attività avrebbe dovuto soddisfare limiti scoraggianti in termini di dimensioni, peso e consumo energetico. Quindi il progetto è stato suddiviso in componenti: comunicazioni, alimentazione e sistemi di controllo. Nel corso degli anni, più di una dozzina di studenti di diversi gruppi di ricerca hanno collaborato al progetto, concentrandosi su vari aspetti del sistema e conferendo tra loro per assicurarsi che le loro parti si adattassero fisicamente ed elettronicamente. I collaboratori di MTL Mercier e Daly si sono concentrati sui sistemi di trasmissione e ricezione a bassa potenza necessari per inviare comandi alla falena.
Insieme, il team è riuscito a sviluppare un pacchetto che pesava circa un grammo, meno della metà di un centesimo. Comprendeva i circuiti di controllo, la batteria e il ricevitore radio, tutti montati su un'imbracatura in miniatura che poteva adattarsi all'addome di un venerdì manduca (un falco) senza interferire con il suo volo. Sono stati usati minuscoli fili per collegare il circuito al sistema nervoso dell'insetto, creando ciò che Mercier definisce una falena cyborg. (I neuroscienziati dell'Università dell'Arizona e dell'Università di Washington hanno lavorato con il team per sviluppare le interfacce con la falena stessa.)
Nell'MTL Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '09 e Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, discutono di un chip microcontrollore ad alta efficienza energetica che opera a tensioni molto basse .
La chiave per il dispositivo radio a bassissima potenza era l'utilizzo di trasmissioni a banda ultra larga in raffiche molto brevi, molto diverse dalle trasmissioni a banda stretta di lunga durata utilizzate per i sistemi radio convenzionali come le connessioni Bluetooth, che richiedono fino a cento volte più energia . In media, l'intero sistema utilizzava meno di un milliwatt.
Nel 2009, il team aveva raggiunto l'obiettivo, producendo un sistema completo in cui i componenti minuscoli e complessi svolgevano il loro lavoro, lavorando insieme per guidare il volo della falena e dimostrando il potenziale per sistemi molto piccoli e a bassissima potenza.
Daly immagina un giorno in cui sistemi ancora più piccoli e a bassa potenza basati su questa ricerca potrebbero essere distribuiti in vasti sciami. Potrebbero essere come granelli di polvere che potresti distribuire su una grande foresta per rilevare il fuoco, ad esempio, dice.
Cerotti elettronici
Mercier è stato inizialmente attratto dal progetto falena perché ha visto un grande potenziale per le applicazioni sanitarie: ha gettato le basi per un'intera nuova generazione di dispositivi piccoli, leggeri e forse anche impiantabili per il monitoraggio, la diagnosi e il trattamento medico. Chandrakasan e i suoi colleghi di MTL immaginano cerotti elettronici autonomi, come li chiamano, che incorporeranno sensori, una batteria, chip per computer per analizzare i dati del sensore e un trasmettitore e ricevitore radio per comunicare i dati, il tutto confezionato in un dispositivo abbastanza piccolo da poter essere indossato come un cerotto.
Stiamo sviluppando monitor ambulatoriali continui, afferma Mercier. Tali dispositivi potrebbero essere utilizzati, ad esempio, per osservare l'attività cardiaca 24 ore su 24, 7 giorni su 7 nei pazienti con malattie cardiache, consentendo loro di svolgere le proprie attività quotidiane con macchinari sofisticati attaccati in modo discreto al braccio o al torace. Vogliamo che qualcuno sia in grado di indossarlo e non sappia nemmeno di averlo indossato, dice. Se il dispositivo incorporasse la tecnologia GPS e dei telefoni cellulari, nonché i sensori, potrebbe identificare la posizione esatta della persona e chiamare automaticamente i soccorsi in caso di emergenza medica. I cerotti elettronici potrebbero anche essere usati per monitorare le onde cerebrali in pazienti inclini a convulsioni, magari rilevando un attacco imminente in tempo per prevenirlo: il dispositivo potrebbe attivare automaticamente un impulso a un elettrodo impiantato che interromperebbe il modello dell'attività cerebrale.
La tecnologia necessaria per estrarre informazioni utili dai dati raccolti da tali sensori è quella su cui si è concentrata Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, che ora lavora alla Texas Instruments, durante i suoi anni all'MTL. Ha costruito un chip che esamina i dati dell'elettroencefalografo (EEG) alla ricerca di anomalie nel segnale. Il suo fabbisogno energetico è minimo, in parte perché i moduli acceleratori separati attorno al processore principale scaricano alcune attività di elaborazione su circuiti dedicati più piccoli. Ciò si traduce in una maggiore durata della batteria, spiega. Invece di un paio d'ore, potrebbe funzionare per un paio di giorni.
A breve termine, i medici potrebbero utilizzare questa tecnologia per monitorare i pazienti dopo che hanno lasciato l'ospedale. Ma i dispositivi a bassa potenza potrebbero eventualmente essere utilizzati nelle aree rurali e nei paesi poveri, dove gli ospedali sono pochi e il medico più vicino potrebbe essere troppo lontano per raggiungere qualcuno in crisi. Questi sistemi non richiedono molta manutenzione da parte di un medico e sono destinati a un paziente da indossare a casa, afferma Kwong. Possono includere una radio sul cerotto, che invia informazioni tramite un telefono cellulare e quindi viene inoltrata a Internet. I medici che hanno l'esperienza per interpretare i dati potrebbero analizzarli e fare una diagnosi, non importa quanto lontano possa essere il paziente.
Kwong afferma che il chip è davvero un processore flessibile che potrebbe essere programmato per analizzare diversi tipi di dati fisiologici. E poiché è piccolo e basato su una tecnologia di produzione standard, potrebbe essere realizzato per pochi centesimi, dice Mercier: se i volumi sono abbastanza grandi, i prezzi sono molto bassi. Tali chip potrebbero alla fine diventare sistemi diagnostici usa e getta, economici quasi quanto i normali cerotti.
E questo potrebbe essere solo l'inizio. Mercier, che ha lavorato su tali sistemi negli ultimi cinque anni, parla del potenziale per diversi dispositivi collegati a diverse parti del corpo per monitorare una varietà di indicatori di salute contemporaneamente. I dati verrebbero quindi trasmessi in tempo reale a un processore centrale per l'analisi. Il risultato sarebbe quello che lui chiama una rete dell'area del corpo.
Patrick Mercier, SM '08, e Denis Daly, SM '05, PhD '09, testano le tensioni di alimentazione per un chip utilizzato per controllare il volo di una falena.
Sbarazzarsi delle batterie
Alcuni dei prototipi di chip sviluppati nell'MTL non sono più grandi di un seme di sesamo, così piccoli che un giorno potrebbero essere completamente impiantati nel corpo. Alla fine, i ricercatori sperano, potrebbero funzionare interamente con l'energia recuperata, senza mai bisogno di essere ricaricata.
Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '10, è uno dei tanti studenti MTL che hanno lavorato per sfruttare i rivoli di energia che normalmente vanno sprecati. All'Energy Night del 2009 al MIT Museum, organizzata dal MIT Energy Club guidato da studenti, Ramadass ha mostrato uno dei prodotti della sua ricerca. Tra le dozzine di stand e poster che mostravano progetti legati all'energia, non è stato difficile trovarlo: per gran parte della notte è stato circondato da una folla di persone che fissavano il bizzarro apparato che indossava al braccio.
Progettato per trarre energia dalla piccola differenza tra la temperatura della sua pelle e la temperatura dell'aria circostante, il prototipo non era affatto discreto: vicino all'incavo del suo braccio c'era un dissipatore di calore in alluminio lucido e appuntito, una specie di radiatore che dissipa calore all'aria circostante. Il dissipatore di calore dirigeva il calore del suo corpo attraverso un raccoglitore termoelettrico collegato a un minuscolo chip che aveva progettato per fare un uso insolitamente efficiente dell'effetto termoelettrico mostrato da alcuni materiali semiconduttori: quando un lato è più caldo dell'altro, la differenza di temperatura genera una tensione elettrica. La folla affascinata lo tempestava di domande, soprattutto sui possibili usi futuri di un tale sistema. Gli usi più intriganti rimangono nel futuro: il prototipo produce troppa poca elettricità per far funzionare un telefono cellulare, sebbene ne generi abbastanza per alimentare un orologio o una calcolatrice.
Ramadass, che ora lavora per Texas Instruments (che è uno dei principali sponsor della ricerca del gruppo, insieme a Intel e altri), ha perseguito due diversi approcci all'energy scavenging. Oltre a sfruttare piccole differenze di temperatura, ha anche sviluppato dispositivi sperimentali per sfruttare l'energia da piccoli movimenti e vibrazioni. Questi dispositivi utilizzano materiali piezoelettrici, che producono una corrente elettrica in risposta alla pressione. In definitiva, dice, piccoli dispositivi elettronici potrebbero essere collegati a sistemi in grado di recuperare entrambi i tipi di energia, al fine di massimizzare la potenza disponibile.
Ci sono ancora ostacoli da superare. Per prima cosa, i dispositivi piezoelettrici che raccolgono energia da movimenti e vibrazioni producono corrente alternata, mentre i circuiti a stato solido necessitano di corrente continua. Poiché la quantità di energia disponibile è così piccola, spiega Chandrakasan, i circuiti che convertono la corrente CA in CC dovranno essere molto efficienti. Sfruttare l'energia termoelettrica richiede anche passaggi aggiuntivi. Il calore corporeo può produrre circa 50 millivolt di tensione di uscita, dice. Semplicemente non è sufficiente per eseguire circuiti logici. Un amplificatore di tensione (trasformatore) può essere utilizzato per aumentare la tensione, ma ancora una volta, i circuiti che eseguono la conversione devono essere abbastanza efficienti da estrarre energia utile da una piccola fonte.
Guardando avanti
Pensando alla misura in cui l'Infopad che aveva immaginato nel 1994 prefigurava l'iPad che i consumatori possono acquistare oggi, Chandrakasan si chiede con quali tipi di dispositivi guarderemo, utilizzeremo e giocheremo tra una decina di anni. Sto pensando a quali saranno le sfide che avremo nel 2020, dice. Ci saranno funzioni radicalmente nuove, come la fotografia computazionale, la capacità di manipolare le immagini in tempo reale, e cose come input gestuali e molti diversi tipi di interfacce utente. Ridurre al minimo il consumo energetico sarà ciò che renderà pratiche queste funzioni ad alta intensità di calcolo per molte applicazioni.
Chandrakasan sta anche pensando a dispositivi più piccoli, più economici e più semplici che potrebbero fare la differenza in molte parti del mondo che non hanno accesso anche alle comodità moderne di base. In una nuova collaborazione, lui e Subra Suresh, l'ex preside della School of Engineering del MIT e il nuovo direttore della National Science Foundation, mirano a sviluppare un piccolo dispositivo a bassa potenza in grado di diagnosticare istantaneamente la malaria. Oggi, poche cliniche rurali sono in grado di condurre i test di laboratorio su campioni di sangue necessari per fornire risultati accurati.
L'idea è di prendere una goccia di sangue e fare un microfluidico lab-on-a-chip in modo da non aver bisogno di un microscopio di fantasia, dice Chandrakasan. Sarebbe tutto fatto elettronicamente: intrappoleresti le cellule e misureresti la loro attività elettrica. L'intero apparato, dice, avrebbe le dimensioni di un francobollo.
La realizzazione di tale possibilità, ovviamente, è ancora di molti anni nel futuro. Come si fa a fare diagnosi in un posto lontano dalle cliniche, in un villaggio? chiede Chandrakasan ad alta voce. Ma non vede l'ora che anche questa visione diventi realtà. Sedici anni dopo la sua innovativa apparizione alla conferenza ISSC, ora ricopre il ruolo di presidente della conferenza. Quindi, se importanti nuovi progressi nei circuiti a bassa potenza provengono dal suo laboratorio o da qualche altra parte, è nella posizione ideale per vederli per primi.