I ricercatori del gruppo di ricerca Green IC della National University of Singapore (NUS) hanno inventato un dispositivo a basso costo, timer di attivazione senza batteria sotto forma di circuito su chip che riduce significativamente il consumo energetico dei chip di silicio per i nodi dei sensori dell'Internet of Things (IoT). Il nuovo timer di sveglia del team NUS dimostra per la prima volta il raggiungimento del consumo di energia fino alla vera gamma di picoWatt (1 miliardo di volte inferiore a un orologio intelligente).

"Abbiamo sviluppato un nuovo timer di sveglia che opera nella gamma picoWatt, e riduce di 1 il consumo energetico dei nodi di sensori IoT raramente attivi, 000 volte. Come elemento di unicità, il nostro timer di sveglia non ha bisogno di circuiti aggiuntivi, rispetto alle tecnologie convenzionali, che richiedono circuiti periferici che consumano almeno 1, 000 volte più potenza (ad es. regolatori di tensione). Questo è un passo importante verso l'accelerazione dello sviluppo dell'infrastruttura IoT, e apre la strada alla miniaturizzazione aggressiva dei dispositivi IoT per operazioni di lunga durata, ", ha dichiarato il capogruppo il Professore Associato Massimo Alioto del Dipartimento di Ingegneria Elettrica e Informatica della Facoltà di Ingegneria del NUS.

La ricerca è stata condotta in collaborazione con il Professore Associato Paolo Crovetti del Politecnico di Torino in Italia.

Abilitazione di applicazioni IoT di lunga durata

tecnologie IoT, che guiderà la realizzazione di smart city e smart living, spesso richiedono l'ampio dispiegamento di dispositivi intelligenti, sensori miniaturizzati a chip di silicio con un consumo energetico molto basso e decenni di durata della batteria, e questa rimane una grande sfida fino ad oggi.

I nodi di sensori IoT sono singoli sistemi miniaturizzati contenenti uno o più sensori, nonché circuiti per l'elaborazione dei dati, comunicazione wireless e gestione dell'alimentazione. Per mantenere basso il consumo di energia, sono tenuti in modalità di sospensione per la maggior parte del tempo, e i timer di sveglia vengono utilizzati per attivare i sensori per eseguire un'attività. Poiché sono accesi la maggior parte del tempo, i timer di sveglia impostano il consumo energetico minimo dei nodi dei sensori IoT. Svolgono inoltre un ruolo fondamentale nella riduzione del consumo energetico medio dei sistemi su chip.

L'invenzione NUS riduce sostanzialmente il consumo energetico dei timer di sveglia incorporati nei nodi dei sensori IoT. "Sotto la tipica illuminazione da ufficio, il nostro nuovo timer per la sveglia può essere alimentato da una cella solare su chip molto piccola che ha un diametro simile a quello di una ciocca di capelli umani. Può anche essere sostenuto da una batteria con scala millimetrica per decenni, “Ha spiegato Assoc Prof Alioto.

Questa svolta tecnologica è stata resa pubblica al Simposio 2018 sulla tecnologia e i circuiti VLSI a Honolulu, Hawaii, il principale forum globale in cui vengono presentati i progressi nei circuiti a stato solido e nei sistemi su chip.

Consumo energetico estremamente basso

L'innovativo timer di sveglia della gamma picoWatt del team NUS ha la capacità senza precedenti di funzionare senza alcun regolatore di tensione grazie alla sua ridotta sensibilità alla tensione di alimentazione, sopprimendo così la potenza aggiuntiva che viene convenzionalmente consumata da tali circuiti periferici sempre attivi. Il timer della sveglia può anche continuare a funzionare anche quando la batteria non è disponibile e in condizioni di energia ambientale molto scarsa, come dimostrato da una cella solare su chip miniaturizzata esposta alla luce della luna.

Significativa riduzione dei costi di produzione

Inoltre, il timer di sveglia del team può ottenere una sveglia lenta e poco frequente utilizzando un condensatore su chip molto piccolo (mezzo picoFarad). Ciò aiuta a ridurre significativamente i costi di produzione del silicio a causa della piccola area (40 micrometri su ciascun lato) richiesta.

"Globale, questa svolta è ottenuta attraverso la semplicità a livello di sistema tramite l'innovazione dei circuiti. Abbiamo dimostrato chip di silicio con potenza sostanzialmente inferiore che definiranno il profilo dei nodi IoT di prossima generazione. Ciò contribuirà a realizzare la visione definitiva di un prodotto economico, scala millimetrica ed eventualmente nodi sensore senza batteria, " ha detto il membro del gruppo di ricerca Dr. Orazio Aiello, che è un ricercatore in visita presso il dipartimento.

Prossimi passi

Il team sta attualmente lavorando a basso costo, facile da integrare, sistemi di silicio autonomi dal punto di vista energetico con un consumo energetico che va da picoWatt a sub-nanoWatt. Questi sottosistemi critici trasformeranno in realtà i futuri sensori senza batteria, con l'obiettivo finale di costruire un system-on-chip completamente privo di batterie. Questo sarà un passo importante verso la realizzazione della visione IoT in tutto il mondo.