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新型智能芯片:在电池没电时仍可继续工作!

发布时间:2018-06-06 责任编辑:wenwei

【导读】近日,新加坡国立大学(NUS)工程师团队开发出一种称为“BATLESS”的创新型芯片。即使在电池电量耗尽时,该芯片仍然可以继续工作。
 
背景
 
新型智能芯片:在电池没电时仍可继续工作!
 
虽然物联网目前仍处于初级阶段,但它正对于我们日常生活以及许多行业的未来产生着重要的影响。从概念走向现实的过程中,物联网设备遭遇到的关键挑战之一,就是在严格受限的能源条件下进行长期持久的操作,这需要极高的功率效率。IoT 设备,比如传感器,通常会大规模部署在那些偏远并难以定期服务的地方,所以让它们的能量变得自给自足非常有必要。
 
目前,在IoT设备中,相比于电池为之提供电力的单个芯片,电池本身要大很多并且昂贵达三倍。电池的尺寸由传感器节点的续航时间决定,续航时间直接影响到电池多久需要充一次电。电池的尺寸,与它的维护成本以及被处理时对环境产生的影响都有着重要关系。为了延长总的续航时间,电池通常会从环境中采集一些有限的能量,缓慢地再次充电,例如采用太阳能。
 
无论如何,大多数现有的IoT设备还是无法离开电池来运行(虽然目前科学家们已经开发出一些旨在摆脱电池的自供电技术),并且小型电池完全放电更加频繁。因此,电池小型化通常会使得IoT设备的工作经常间断。因为每当电池电量耗尽时,IoT设备就要停止工作。
 
创新
 
新型智能芯片:在电池没电时仍可继续工作!
(图片来源:NUS)
 
为了填补这一技术鸿沟,新加坡国立大学(NUS)工程师团队开发出一种称为“BATLESS”的创新型芯片。即使在电池电量耗尽时,该芯片仍然可以继续工作。BATLESS 具有一种新的电源管理技术,该技术让它可无需任何其他电池的帮助,只采用位于芯片上的微型太阳能电池,就可以在微弱的光线下,自启动并持续工作。
 
这项突破性研究发表于2018年在旧金山召开的国际固态电路会议(ISSCC)上,该会议是展示固态电路和系统级芯片科研进展的首要的全球性论坛。
 
技术
 
即使在电池电量耗尽时,“不在乎电池”(Battery indifference)的能力使得IoT设备仍可以持续运行。这种能力通过两种工作模式来实现:最低能量和最低功率。当电池还有电时,芯片工作于最低能量模式下,使电池续航时间变得最长;当电池电量耗尽时,芯片切换至最低功率模式,运行时的功耗非常低,只有半纳瓦。这种功耗约为智能手机通话时功耗的十亿分之一。一个芯片上的微型(面积约为0.5平方毫米)太阳能电池,或者从环境中采集的能量(例如:振动或者热量),都可以用于提供如此微小的能量。
 
芯片在最低能量和最低功率模式之间切换的能力,使得电池尺寸从几厘米缩小至几毫米。BATLESS 芯片开启了一系列非凡的能力,不间断地对兴趣事件进行感知、处理、捕捉和打时戳,以及在电池再次变得有电时,将这些有价值的数据通过无线方式传输至云端。
 
BATLESS 也配备了一种新型电源管理技术,可实现自启动,同时直接由芯片上的微型太阳能电池供电,无需其他电池协助。团队通过一个50勒克斯的室内光照强度进行了演示,这个光照强度相当于黄昏时的微弱光线,对应于纳瓦级的功率。如此一来,BATLESS可以不在乎电池电量,从而解决了在无电池芯片中之前未得到解决的问题。
 
价值
 
这项突破性的研究充分减小了为IoT传感器节点供电的电池尺寸,使得它们缩小至十分之一且制造成本更低。除了在电池电量耗尽时,采用最小功率模式,减速的芯片还可应用于一些列物联网场景,感知随着时间变化缓慢的参数,例如:温度、湿度、光线和压力。此外,BATLESS还具有其他的应用,例如智能建筑、环境监测、能量管理以及让生活空间满足居住者的需求。
 
NUS 科研团队的领导者,NUS 工学院电气与计算机工程系副教授 Massimo Alioto表示:“BATLESS 是首个不在乎电池电量的新型芯片案例。在最低功率模式下,相比于为以固定最低能量运行而设计的现有最佳的微控制器,它使用的能量仅为十万分之一到千分之一。同时,相比近期设计的以固定最低能量运行的其他微控制器,我们的16比特微控制器运行速度快十万倍。总之,BATLESS 芯片涵盖了非常广泛的能量、功率和速度因素,因为两种不同的模式带来了灵活性。”
 
Massimo Alioto副教授还表示:“我们演示了用于IoT设备的电池可被充分缩小,因为保持连续工作时并不是总需要它们。在朝着无需电池的IoT传感器节点的最终版本目标迈进的过程中,解决这一根本性问题成为了一个重要进展,为打造一个具有数万亿IoT设备的世界铺平了道路。”
 
未来
 
目前,NUS工程团队正在开发新的方案,构建完全不在乎电池电量的系统,覆盖从传感器到无线通信系统的整个信号链,在微控制器与电源管理方面继续拓展目前的研究。
 
在完全无需电池的长期目标指引下,团队开发出一种将电池缩小至毫米级的方案。它将成为朝着全球IoT愿景迈出的重要一步,也将使得我们的星球变得更加绿色和智能。
 
新型智能芯片:在电池没电时仍可继续工作!
(图片来源于:维基百科)
 
 
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