Pesquisadores do grupo de pesquisa Green IC da National University of Singapore (NUS) inventaram um modelo de baixo custo, Timer de despertar sem bateria na forma de um circuito no chip que reduz significativamente o consumo de energia dos chips de silício para nós de sensores da Internet das Coisas (IoT). O novo despertador da equipe da NUS demonstra pela primeira vez a obtenção do consumo de energia até a faixa de picoWatt real (1 bilhão de vezes menor do que um relógio inteligente).

"Desenvolvemos um novo despertador que opera na faixa de picoWatt, e corta o consumo de energia de nós sensores IoT raramente ativos em 1, 000 vezes. Como um elemento de exclusividade, nosso despertador não precisa de nenhum circuito adicional, em oposição às tecnologias convencionais, que requerem circuitos periféricos que consomem pelo menos 1, 000 vezes mais potência (por exemplo, reguladores de tensão). Este é um passo importante para acelerar o desenvolvimento da infraestrutura de IoT, e abre caminho para a miniaturização agressiva de dispositivos IoT para operações de longa duração, "disse o líder da equipe, Professor Associado Massimo Alioto, do Departamento de Engenharia Elétrica e de Computação da Faculdade de Engenharia da NUS.

A pesquisa foi conduzida em colaboração com o Professor Associado Paolo Crovetti do Politecnico di Torino, na Itália.

Habilitando aplicativos IoT de longa duração

Tecnologias IoT, que irá impulsionar a realização de cidades inteligentes e uma vida inteligente, muitas vezes exigem a implantação extensiva de smart, sensores miniaturizados com chip de silício com baixíssimo consumo de energia e décadas de vida útil da bateria, e este continua sendo um grande desafio até agora.

Os nós sensores de IoT são sistemas miniaturizados individuais contendo um ou mais sensores, bem como circuitos para processamento de dados, comunicação sem fio e gerenciamento de energia. Para manter o consumo de energia baixo, eles são mantidos em modo de espera na maior parte do tempo, e os temporizadores de despertar são usados ​​para acionar os sensores para realizar uma tarefa. Como eles estão ligados na maioria das vezes, os temporizadores de despertar definem o consumo mínimo de energia dos nós sensores de IoT. Eles também desempenham um papel fundamental na redução do consumo médio de energia dos sistemas no chip.

A invenção do NUS reduz substancialmente o consumo de energia dos temporizadores de despertar incorporados nos nós do sensor IoT. "Sob iluminação típica de escritório, nosso novo despertador pode ser alimentado por uma célula solar muito pequena no chip que tem um diâmetro semelhante ao de um fio de cabelo humano. Também pode ser sustentado por uma bateria de escala milimétrica por décadas, "Assoc Prof Alioto explicou.

Este avanço tecnológico foi tornado público nos Simpósios de Tecnologia e Circuitos VLSI 2018 em Honolulu, Havaí, o principal fórum global onde os avanços em circuitos de estado sólido e sistemas em chip são apresentados.

Consumo de energia ultrabaixo

O cronômetro de despertar inovador da equipe de picoWatt da equipe da NUS tem a capacidade sem precedentes de operar sem qualquer regulador de tensão devido à sua sensibilidade reduzida à tensão de alimentação, suprimindo assim a energia adicional que é convencionalmente consumida por tais circuitos periféricos sempre ligados. O despertador também pode continuar as operações, mesmo quando a bateria não está disponível e sob energia ambiente muito escassa, como demonstrado por uma célula solar miniaturizada no chip exposta à luz da lua.

Redução significativa no custo de produção

Além disso, o timer de despertar da equipe pode alcançar um despertar lento e infrequente usando um capacitor muito pequeno no chip (meio picoFarad). Isso ajuda a reduzir significativamente os custos de fabricação de silício devido à pequena área (40 micrômetros de cada lado) necessária.

"Geral, esse avanço é alcançado por meio da simplicidade no nível do sistema por meio da inovação do circuito. Demonstramos chips de silício com potência substancialmente menor que definirão o perfil dos nós de IoT de próxima geração. Isso contribuirá para concretizar a visão definitiva de produtos baratos, escala milimétrica e, eventualmente, nós de sensores sem bateria, "disse o membro da equipe de pesquisa Dr. Orazio Aiello, que é pesquisador visitante no departamento.

Próximos passos

A equipe está trabalhando atualmente em baixo custo, fácil de integrar, sistemas de silício com autonomia de energia com consumo de energia variando de picoWatts a sub-nanoWatts. Esses subsistemas críticos tornarão os futuros sensores sem bateria uma realidade, com o objetivo final de construir um sistema em chip completo sem bateria. Este será um passo importante para a realização da visão da IoT em todo o mundo.