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Un processore Picowatt
In poco tempo, i sensori potrebbero essere impiantati nei nostri corpi per fare cose come misurare i livelli di glucosio nel sangue nei diabetici o la pressione retinica nei pazienti con glaucoma. Ma per essere pratici, dovranno essere entrambi molto piccoli, piccoli come un granello di sabbia, e utilizzare batterie a lunga durata di dimensioni altrettanto piccole, una combinazione non disponibile oggi in commercio.
Picco di potenza: Questo minuscolo processore, chiamato Phoenix, utilizza il 90% di energia in meno rispetto al chip più efficiente oggi sul mercato. Potrebbe abilitare sensori medici impiantabili alimentati da minuscole batterie.
Ora i ricercatori dell'Università del Michigan hanno realizzato un processore che occupa solo un millimetro quadrato e il cui consumo energetico è così basso che le batterie a film sottile emergenti della stessa dimensione potrebbero alimentarlo per 10 anni o più, afferma David Blaauw , professore di ingegneria elettrica e informatica al Michigan e uno dei principali ricercatori del progetto.
Ma quando questo processore, soprannominato Phoenix, è accoppiato con una batteria, l'intero pacchetto sarebbe solo un millimetro cubo di volume. A questa scala, dice Blaauw, potrebbe essere fattibile costruire il chip in una spessa lente a contatto e usarlo per monitorare la pressione nell'occhio, il che sarebbe utile per il rilevamento del glaucoma. Potrebbe anche essere impiantato sotto la pelle per rilevare i livelli di glucosio nel liquido sottocutaneo. Più in generale, questo approccio a bassa potenza alla progettazione del processore potrebbe essere utilizzato, ad esempio, nei sensori ambientali che monitorano l'inquinamento o nei sensori di salute strutturale.
Il processore utilizza solo circa 30 picowatt (un picowatt è un milionesimo di un milionesimo di watt) di potenza quando è inattivo. Quando è attivo, il processore consuma solo 2,8 picojoule di energia per ciclo di calcolo. Tale importo è circa un decimo dell'energia utilizzata dai chip più efficienti dal punto di vista energetico sul mercato, afferma Jan Rabaey , un professore di ingegneria elettrica e informatica presso l'Università della California, Berkeley, che non è stato coinvolto nella ricerca.
L'idea principale del team del Michigan era quella di progettare un chip che funzionasse a una tensione estremamente bassa. Mentre i microprocessori per personal computer possono richiedere due volt di elettricità per operazione, Phoenix ha bisogno solo di 500 millivolt, o il 75% in meno.
A questa tensione, alcune parti del chip non funzionano bene, spiega Blaauw, quindi il suo team ha riprogettato la memoria del chip, che è più piccola della maggior parte della memoria del processore, e il suo clock interno in modo che potesse funzionare con un input elettrico minimo. L'orologio del chip, l'orologio che sincronizza le operazioni di macinazione dei numeri, è stato ridotto a una velocità estremamente lenta di 100 kilohertz, rispetto ai tassi di gigahertz dei personal computer. Questo approccio ha senso per i sensori, afferma Blaauw. Se volessimo monitorare la pressione oculare... abbiamo solo bisogno di effettuare letture ogni pochi minuti, dice.
Inoltre, i ricercatori hanno prestato molta attenzione alla perdita di energia che si verifica mentre il chip è in modalità di sospensione o non raccoglie o elabora i dati. I transistor nei computer più recenti sono realizzati utilizzando un processo a 45 nanometri in cui le caratteristiche su un chip hanno una dimensione di 45 nanometri. Sebbene ciò consenta più transistor su un chip più piccolo, provoca anche perdite elettriche, dovute alla fisica dei materiali su questa scala. Blaauw e il suo team hanno optato per transistor più grandi realizzati utilizzando un processo a 180 nanometri, da una precedente generazione di chip. Questi transistor sono in una posizione ottimale, afferma Blaauw. Sono abbastanza grandi da avere perdite minime e tuttavia abbastanza piccoli da consentire ai ricercatori di adattarne un numero elevato su un chip di un millimetro quadrato.
Per ridurre ulteriormente le perdite, i ricercatori hanno aggiunto transistor speciali che interrompono completamente l'alimentazione ai transistor di elaborazione quando il chip è in modalità standby. Questo è un approccio comune, afferma Blaauw, ma il suo team lo ha portato all'estremo e ha dedicato molto più chip del solito a questi transistor a controllo di potenza. Se un normale designer [di chip] lo guardasse, direbbe: 'Sei fuori di testa', dice Blaauw. Ma ci offre il compromesso di risparmio energetico di cui abbiamo bisogno. In sintesi, i ricercatori hanno combinato una serie di trucchi già esistenti e li hanno messi a punto per ottenere il basso consumo energetico da record.
Il team del Michigan, guidato anche da Dennis Sylvester , professore di ingegneria elettrica e informatica, deve ancora aggiungere una batteria alla Phoenix e deve sviluppare un modo per scaricare i dati dal chip per ulteriori analisi. Una volta fatto ciò, i ricercatori possono lavorare alla piena integrazione all'interno di un sistema biologico, che potrebbe richiedere anni.
Rabaey di Berkeley, che sta scrivendo un libro sui processori a basso consumo, afferma che il lavoro è significativo. Quello che mi ha impressionato è che hanno portato questo a numeri abbastanza estremi, dice. Il consumo di energia è estremamente basso. Nessun altro si è nemmeno avvicinato a questo. Rabaey nota che questo processore è destinato ad applicazioni di sensori speciali e che non apparirà presto in un telefono cellulare. Tuttavia, è un passo importante verso la costruzione di sensori medici impiantabili le cui batterie possono durare per anni.
L'idea di questo chip a bassa tensione non è nuova, afferma Rabaey: è stato utilizzato con successo nell'industria dell'orologeria per decenni. Ma negli ultimi anni, l'interesse accademico e industriale per tale design è sbocciato mentre gli ingegneri stanno esplorando usi più vari e onnipresenti dei sensori, dispositivi che richiedono trucchi per il risparmio energetico per essere pratici.