Новые чипы для интернета вещей будут автономными и вездесущими

Команда исследователей из Стэнфордского университета и Калифорнийского университета в Беркли создала прототипы сверхминиатюрных коммуникационных модулей, не требующих для своей работы отдельного источника питания. При размере с муравья они объединяют в себе возможности беспроводной связи, дистанционного сбора данных и их обработки встроенным контроллером. Работать такие устройства могут многие годы, выполняя свои функции как по отдельности, так и в составе беспроводных сетей.

С момента первых экспериментов Попова и Маркони прошло более ста лет. За этот период несколько поколений беспроводных устройств обеспечивали удалённую связь людей друг с другом. Сегодня только в сотовых сетях число абонентов превышает 6 млрд. Следующий этап развития беспроводных технологий обусловлен массовым подключением оборудования, что получило название «интернет вещей».

Согласно последним прогнозам, спрос на модули беспроводной связи вырастет с одного миллиарда в 2012 году до нескольких триллионов в следующем десятилетии. В значительной степени спрос ускоряется появлением интеллектуальных датчиков, которые сочетают в себе функции измерения параметров, передачи данных о телеметрии и генерировании управляющих команд. Главным сдерживающим фактором остаются размеры, стоимость таких устройств и их энергопотребление. Во многих сценариях использования разместить источник питания будет негде, а заменять его некому.

Размеры автономного чипа для IoT в сравнении с одноцентовой монетой (фото: stanford.edu).

В лаборатории Стэнфордского университета удалось создать первый модуль беспроводной связи на одном чипе, в котором сочетаются необходимые требования к миниатюрности, автономности и низкой себестоимости.

Новые чипы беспроводной связи предназначены для удовлетворения растущего спроса на интеллектуальные датчики и средства дистанционного управления. С ними связывают развитие интернета вещей и возможность управлять чем угодно через веб-интерфейс. «Это полностью автономное устройство размером с муравья, – комментирует доцент кафедры электротехники Стэнфордского университета и главный разработчик прототипа Амин Арбабьян. – Они очень дешевы в производстве и не требуют батарей».

Все компоненты первой схемы были созданы под микроскопом. За счёт высокой степени интеграции удалось добиться рекордно низких показателей энергопотребления. Для поддержания работоспособности им достаточно нескольких микроватт. Такую мощность можно получить из энергии радиоволн, присутствующих практически повсеместно.

Фрагмент предыдущего изображения чипа, увеличенный в 55 раз (фото: Amin Arbabian / Stanford University).

Работающий прототип был представлен на проходившем на Гавайях симпозиуме по технологиям СБИС. По словам разработчиков, большая часть инфраструктуры для дистанционного взаимодействия людей и техники уже создана. У нас есть интернет, через который можно передавать данные по всему миру. Произведены миллионы стационарных компьютеров и мобильных гаджетов, с которых мы отправляем команды и контролируем их выполнение. Чего пока не хватает, так это удобных для интеграции контроллеров с беспроводным интерфейсом. Они должны быть как можно миниатюрнее и дешевле, чтобы их было легко и не накладно установить в любое устройство.

Низкое энергопотребление – ещё одно важное качество, делающее возможным не просто длительную работу, но и полный отказ от традиционных источников питания. Получать энергию для автономных устройств предлагали от перепадов температуры и механических колебаний, солнечного света и энергии радиоволн. В случае чипов для беспроводной связи последний вариант выглядит самым логичным. Его габариты не позволяют разместить ни солнечную батарею, ни более сложные системы утилизации энергии, рассеянной в окружающем пространстве.

«Как вы обеспечите эффективную двустороннюю связь с каждой лампочкой, которой хотите управлять удалённо? – спрашивает докладчик присутствующих на симпозиуме. – Только интегрировав в неё соответствующий беспроводной чип, который должен стоить всего несколько пенни». Себестоимость в данном случае – один из определяющих факторов, поскольку речь идёт о триллионах всевозможных устройств.

Прототип автономного чипа с беспроводным интерфейсом (фото: vlsisymposium.org).

От идеи до создания прототипа прошло три года. Амин Арбабьян начал работу над проектом в 2011 году, когда он заканчивал аспирантуру. Помогали ему жена Марьям Табеш и профессор Али Никнеяд – директор научно-исследовательского центра беспроводных технологий Калифорнийского университета в Беркли.

При создании столь миниатюрного чипа требовались свежие идеи, поэтому практически все разработки велись с нуля. «В прошлом, когда люди думали о миниатюризации приёмопередатчиков, они исходили из идеи сокращения размеров известных компонентов», – пояснил Амин. Подход его группы был иным. Они создали всю систему в едином кремниевом чипе без оглядки на популярные решения.

Чип под микроскопом. Его увеличенное изображение выводится на экран справа (фото: stanford.edu).

Уверенности придавали успехи коллег из Университета штата Вашингтон в Сиэтле, которые тоже создавали средства для беспроводной коммуникации с потребляемой мощностью менее десяти микроватт. Однако вашингтонская разработка была по своей сути гораздо проще. Группе Амина требовалось адаптировать эти подходы к работе более интеллектуальных устройств.

Основные проблемы касались сложности сочетания требуемых характеристик. Предварительные расчёты показывали, что размеры антенн должны быть на порядок меньше, чем в модуле Wi-Fi типичного смартфона. При этом работали бы они на частоте 24 и 60 ГГц. Обычные транзисторы не в состоянии обеспечить такую скорость обработки сигналов.

Спустя три года попыток обойти указанные ограничения, все необходимые компоненты удалось создать и разместить в одном чипе. Приемная антенна, фильтр электромагнитных помех, преобразователь энергии, процессор и передающая антенна для трансляции релейных сигналов – всё на одном кристалле размером менее 3,5×1,5 мм. Потребляемая мощность составляет 1,5 мкВт, а максимальная скорость передачи данных – 12 Мбит/с.

Тестирование чипа (фото: stanford.edu).

Для создания партии опытных образцов исследователи обращались к разным производителям полупроводниковых устройств. Заказ приняла французская компания STMicroelectronics. На её заводе было изготовлено сто «радиомодулей-на-чипе». В своей презентации разработчики использовали эти прототипы как доказательство концепции. Было показано, что устройства могут принимать радиосигналы, утилизировать энергию радиоволн, выполнять различные команды и отправлять отчёт о выполненных инструкциях.

Радиус действия каждого автономного чипа оценивается в полметра, однако он может быть расширен за счёт формирования беспроводной сети, в которой другие подобные чипы временно используются в качестве ретрансляторов сигнала.