Milliwatts avec Mega Impact

Dans le MTL À gauche, Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '09, et Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, discutent d'une puce de microcontrôleur écoénergétique qui fonctionne à très basses tensions. A droite, Patrick Mercier, SM ‘08, et Denis Daly, SM ‘05, PhD ‘09, testent les tensions d’alimentation d’une puce utilisée pour contrôler le vol d’un papillon de nuit.

Quand Anantha Chandrakasan s'est levé pour donner son discours à la Conférence internationale des circuits à semi-conducteurs de 1994, une foule a rapidement rempli la salle et s'est répandue dans les couloirs. Des dizaines de personnes ne pouvaient pas s'approcher suffisamment pour entendre. Les organisateurs ont donc décidé de faire quelque chose qu'ils n'avaient jamais fait auparavant pour une conférence sur de nouvelles recherches et qu'ils n'ont jamais fait depuis : ils ont demandé à Chandrakasan, qui était alors doctorant à l'UC Berkeley, de refaire sa présentation, afin que la foule des personnes qui l'ont raté la première fois ont pu entendre ce qu'il avait à dire.

L'exposé de Chandrakasan portait sur son travail de conception d'une puce à faible consommation d'énergie, une approche radicalement nouvelle de la conception de circuits qui déclencherait une révolution dans le domaine. Dennis Buss '63, SM '65, EE '66, PhD '68, maintenant scientifique en chef chez Texas Instruments, a été tellement impressionné qu'il a assisté à la conférence à deux reprises. À l'époque, les circuits typiques utilisaient cent fois plus de puissance que les conceptions présentées par Chandrakasan. Cela a choqué l'industrie, se souvient Buss.

Pendant des décennies, les appareils électroniques sont devenus plus rapides et plus petits à un rythme rapide. Plus ils allaient vite, plus ils avaient besoin de puissance. Mais la prolifération des appareils électroniques portables comme les ordinateurs portables et les téléphones portables, et la promesse d'une nouvelle génération de minuscules appareils de surveillance médicale et environnementale, suggèrent que la réduction de la consommation d'énergie pourrait offrir d'énormes avantages. Les possibilités alléchantes comprenaient une durée de vie de la batterie considérablement prolongée et même, dans certains cas, l'élimination complète de la batterie. Pas étonnant que les gens fassent la queue pour en entendre parler.

La révolution que Chandrakasan a aidé à lancer au début des années 90 a amené les fabricants de puces à penser différemment. Au lieu de se concentrer exclusivement sur la vitesse d'horloge du processeur, ils ont commencé à considérer l'efficacité énergétique comme un objectif. Ce changement de point de vue a rendu possibles des appareils comme les netbooks et les téléphones intelligents. Aujourd'hui, Chandrakasan, professeur de génie électrique et directeur des Laboratoires de technologie des microsystèmes (MTL) du MIT, supervise ce qu'il espère être une deuxième révolution, une révolution qui réduira à nouveau la consommation d'énergie. L'électronique qui n'a pas du tout besoin de batteries traditionnelles peut enfin être à l'horizon.

Lent mais puissant

L'exposé historique de Chandrakasan à l'ISSCC était l'aboutissement d'un travail commencé à l'été 1991, à l'instigation de son directeur de thèse, Robert Brodersen, SM ‘68, EE ‘68, PhD ‘72. Ce printemps-là, en écoutant une discussion lors d'une autre grande conférence sur la consommation d'énergie dans les appareils portables comme les téléphones portables, Brodersen a eu une révélation. Cela a cliqué avec moi, et j'ai dit ça alors, le pouvoir est la chose la plus cruciale à laquelle penser, dit-il. Ainsi, lui, Chandrakasan et un autre étudiant diplômé, Samuel Sheng (aujourd'hui directeur technique de Telegent Systems), ont commencé à se réunir plusieurs fois par semaine pour discuter d'idées visant à réduire les besoins en énergie des circuits électroniques. Ces gars-là sont juste allés après cette chose, se souvient Brodersen.

En plus de réfléchir à la manière de réduire la consommation d'énergie des circuits, ils ont également examiné les implications de la réalisation de cet objectif. Ils se sont concentrés sur ce qui serait nécessaire pour produire des capacités informatiques et de communication multimédia complètes dans un petit périphérique d'entrée à stylet portable et mince qui pourrait continuer à fonctionner pendant des heures avec des piles seules. Presciently, ils ont nommé leur projet l'Infopad - près de deux décennies avant qu'un appareil très similaire avec un nom très similaire n'établisse des records de tous les temps pour les ventes d'un nouveau type de produit électronique.

Quand ils ont commencé, il était loin d'être clair que ce qu'ils tentaient était possible, et il y avait beaucoup de sceptiques. Peu d'autres essayaient même, explique Brodersen : Le sentiment de base dans l'industrie à cette époque était qu'il n'y avait plus de problème d'alimentation. Après tout, une nouvelle génération de puces basées sur la technologie des semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS) avait déjà produit une grande amélioration de la consommation d'énergie. Les circuits CMOS ne consommaient pas constamment de l'énergie comme les circuits précédents, car ils n'utilisaient de l'énergie que pour effectuer des calculs. La plupart des gens pensaient que CMOS avait résolu le problème, dit-il.

Pas Chandrakasan. Je savais qu'avec ces appareils sans fil, l'énergie allait être un problème clé, dit-il.

Alors qu'ils réfléchissaient ensemble cet été-là, Brodersen, Chandrakasan et Sheng se sont rendu compte que le type d'efficacité qu'ils recherchaient allait nécessiter une sorte de changement majeur. Une possibilité qu'ils ont envisagée était une réduction drastique de la tension de fonctionnement des puces. Mais cela avait ses propres problèmes : essayer de réduire la tension a tellement dégradé les performances que les puces sont rapidement devenues inutiles, explique Brodersen. Ils avaient besoin d'autre chose.

Carte de test pour évaluer une puce de récupération d'énergie.

Finalement, ils ont eu l'idée du parallélisme, et Chandrakasan a fait les calculs et les simulations qui ont prouvé que cela fonctionnerait. Les circuits conventionnels pourraient être amenés à fonctionner à basse tension si leur vitesse était également très faible. Faire plus de choses à la fois, ont-ils réalisé, pourrait compenser le manque de vitesse de sorte que la même quantité de travail soit effectuée.

À la fin de l'été, ils avaient réglé le problème, du moins en principe. Ils ont publié un article en 1992 dans le IEEE Journal des circuits à semi-conducteurs , la revue leader dans le domaine, décrivant leur vision d'une puce économe en énergie qui compenserait la perte de vitesse due aux opérations parallèles. L'article décrivait des méthodes de fabrication de puces informatiques et d'autres circuits intégrés pouvant fonctionner sur une source d'alimentation d'un volt, au lieu des cinq volts qui étaient alors la norme - quelque chose que Chandrakasan dit que les gens ne pensaient pas possible à l'époque. En tant qu'auteur principal, Chandrakasan a résumé ce qui allait devenir son travail de thèse de doctorat. Plus d'une décennie plus tard, ce rapport sur le projet de recherche d'un étudiant est resté le deuxième article le plus cité dans l'histoire de la revue.

Au moment où Chandrakasan a prononcé son discours à la conférence de l'ISSC en 1994, la vision était devenue une réalité. Après avoir jeté les bases théoriques de l'article précédent, il a démontré la production d'un ensemble fonctionnel de six puces pouvant exécuter toutes les fonctions informatiques, audio et vidéo nécessaires à son prototype d'Infopad. Il ne consommait que cinq milliwatts, soit environ un centième de la puissance des circuits comparables à l'époque.

Assis dans son bureau du MIT, Chandrakasan sourit en se remémorant le moment où toutes les pièces se sont réunies. Seul dans son laboratoire de Berkeley aux petites heures du matin, il a finalement obtenu une vidéo en mouvement complet pour commencer à diffuser sur le moniteur à partir de son circuit de 1,1 volt. Ce fut un grand moment, de voir le système complet fonctionner, dit-il. C'était très excitant. Mais il ne sentait pas qu'il pouvait réveiller son professeur au milieu de la nuit ; il a attendu le matin pour appeler Brodersen avec les nouvelles.

Ces appareils électroniques basse tension et basse consommation se sont maintenant répandus, d'autant plus que de nouvelles générations d'appareils électroniques plus petits et plus puissants, tels que les téléphones intelligents, ont proliféré. Les concepts que l'industrie considérait comme radicaux, innovants et visionnaires en 1994 sont couramment utilisés aujourd'hui, dit Buss.

Une idée prend son envol

Après avoir obtenu son doctorat en 1994, Chandrakasan est venu directement au MIT, où il est devenu directeur du MTL en 2006. Il s'est immédiatement mis au travail pour essayer de fabriquer de l'électronique qui pourrait prospérer avec une alimentation électrique encore plus avare. Ces jours-ci, lui et ses étudiants travaillent sur des puces fonctionnant sur 0,3 volt. Les anciens élèves de MTL Vivienne Sze, SM ‘06, PhD ‘10, et Daniel Finchelstein ‘05, PhD ‘09, ont déjà développé une puce de décodeur vidéo haute définition ultra basse consommation qui fonctionne à 0,7 volt. Les chercheurs de MTL tentent de réduire les besoins en énergie si bas que l'électronique pourrait fonctionner, sans batterie, avec l'énergie résiduelle récupérée par de minuscules mouvements ou la chaleur corporelle. Et ils commencent à travailler sur les moyens d'utiliser ces puces, un défi qui consiste à maximiser l'efficacité de tous les éléments d'un système complexe et, simultanément, de leurs liaisons. Vous devez examiner l'ensemble du système et vous assurer que chaque bloc est à faible consommation d'énergie, explique l'ancien étudiant MTL Denis Daly, SM '05, PhD '09, qui travaille maintenant pour Cambridge Analog Technologies, une startup locale composée principalement du MIT. anciens élèves et professeurs. Vous n'êtes qu'aussi faible que votre maillon le plus faible.

Lorsque les scientifiques de MTL ont commencé à rechercher comment intégrer de tels composants à faible consommation dans des systèmes complets, un papillon de nuit a aidé à montrer la voie. En 2006, des chercheurs du MIT ont reçu une subvention fédérale pour développer un système capable de contrôler le vol d'un papillon vivant ou d'un autre insecte en tant que petite plate-forme potentiellement autonome pour la collecte d'informations environnementales. Les papillons nocturnes ont des capacités de vol très sophistiquées, explique Patrick Mercier, SM'08, doctorant en génie électrique et informatique, l'un des étudiants du laboratoire de Chandrakasan qui a participé au projet. Les appareils mécaniques ne se rapprochent même pas de leur efficacité.

Il est rapidement devenu évident que l'électronique nécessaire à la tâche devrait respecter des limites intimidantes en termes de taille, de poids et de consommation d'énergie. Ainsi, le projet a été divisé en composants : les communications, l'alimentation électrique et les systèmes de contrôle. Au fil des ans, plus d'une douzaine d'étudiants de plusieurs groupes de recherche ont collaboré au projet, se concentrant sur divers aspects du système et se concertant pour s'assurer que leurs pièces s'emboîtent toutes physiquement et électroniquement. Les contributeurs de MTL Mercier et Daly se sont concentrés sur les systèmes de transmission et de réception à faible puissance nécessaires pour envoyer des commandes au papillon.

Ensemble, l'équipe a réussi à développer un emballage pesant environ un gramme, soit moins de la moitié d'un centime. Il comprenait les circuits de commande, la batterie et le récepteur radio, tous montés sur un harnais miniature pouvant tenir sur l'abdomen d'un homme de cinq centimètres de long. manduca vendredi (un sphinx) sans gêner son vol. De minuscules fils ont été utilisés pour connecter le circuit au système nerveux de l'insecte, créant ce que Mercier appelle un papillon cyborg. (Des neuroscientifiques de l'Université de l'Arizona et de l'Université de Washington ont travaillé avec l'équipe pour développer les interfaces avec le papillon lui-même.)

Dans le MTL Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '09 et Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, discutent d'une puce de microcontrôleur écoénergétique qui fonctionne à très basse tension .

La clé du dispositif radio à ultra-faible consommation était l'utilisation de transmissions à ultra-large bande en très brèves rafales, très différentes des transmissions à bande étroite de longue durée utilisées pour les systèmes radio conventionnels tels que les connexions Bluetooth, qui nécessitent jusqu'à cent fois plus de puissance. . En moyenne, l'ensemble du système utilisait moins d'un milliwatt.

En 2009, l'équipe avait atteint l'objectif en produisant un système complet dans lequel les composants minuscules et complexes faisaient leur travail, travaillant ensemble pour diriger le vol du papillon et prouvant le potentiel de très petits systèmes à très faible consommation d'énergie.

Daly envisage un jour où des systèmes encore plus petits et moins puissants basés sur cette recherche pourraient être déployés dans de vastes essaims. Ils pourraient être comme des grains de poussière que vous pourriez répartir sur une grande forêt pour détecter un incendie, par exemple, dit-il.

Pansements électroniques

Mercier a d'abord été attiré par le projet de papillon de nuit parce qu'il a vu un grand potentiel pour les applications de soins de santé : il a jeté les bases d'une toute nouvelle génération de dispositifs petits, légers et peut-être même implantables pour la surveillance médicale, le diagnostic et le traitement. Chandrakasan et ses collègues du MTL envisagent des pansements électroniques autonomes, comme ils les appellent, qui incorporeront des capteurs, une batterie, des puces informatiques pour analyser les données des capteurs, ainsi qu'un émetteur et un récepteur radio pour communiquer les données, le tout emballé dans un appareil assez petit pour être porté comme un patch cutané.

Nous développons des moniteurs ambulatoires en continu, précise Mercier. De tels dispositifs pourraient être utilisés, par exemple, pour observer l'activité cardiaque 24h/24 et 7j/7 chez les patients atteints de maladie cardiaque, leur permettant de vaquer à leurs activités quotidiennes avec des machines sophistiquées discrètement attachées à leur bras ou à leur poitrine. Nous voulons que quelqu'un puisse le porter sans même savoir qu'il le porte, dit-il. Si l'appareil intégrait la technologie GPS et téléphone portable ainsi que des capteurs, il pourrait identifier l'emplacement exact de la personne et appeler automatiquement à l'aide en cas d'urgence médicale. Des pansements électroniques pourraient également être utilisés pour surveiller les ondes cérébrales chez les patients sujets aux convulsions, détectant peut-être une crise imminente à temps pour l'empêcher : l'appareil pourrait déclencher automatiquement une impulsion vers une électrode implantée qui perturberait le schéma de l'activité cérébrale.

Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, qui travaille maintenant chez Texas Instruments, s'est concentrée sur la technologie nécessaire pour extraire des informations utiles des données que ces capteurs collectent pendant ses années au MTL. Elle a construit une puce qui examine les données de l'électroencéphalographe (EEG) à la recherche d'anomalies dans le signal. Ses besoins en énergie sont minimes, en partie parce que des modules accélérateurs séparés autour du processeur principal déchargent certaines tâches de traitement sur des circuits dédiés plus petits. Cela se traduit par une plus longue durée de vie de la batterie, explique-t-elle. Au lieu de quelques heures, il pourrait fonctionner pendant quelques jours.

À court terme, les médecins pourraient utiliser cette technologie pour surveiller les patients après leur sortie de l'hôpital. Mais les appareils à faible consommation pourraient éventuellement être utilisés dans les zones rurales et les pays pauvres, où les hôpitaux sont peu nombreux et le médecin le plus proche peut être trop éloigné pour atteindre quelqu'un en cas de crise. Ces systèmes ne nécessitent pas beaucoup d'entretien par un médecin, et ils sont destinés à un patient à porter à la maison, dit Kwong. Ils peuvent inclure une radio sur le pansement, qui envoie des informations via un téléphone portable, puis elles sont relayées sur Internet. Les médecins qui ont l'expertise pour interpréter les données pourraient les analyser et poser un diagnostic, quelle que soit la distance du patient.

Kwong dit que la puce est vraiment un processeur flexible qui pourrait être programmé pour analyser différents types de données physiologiques. Et parce qu'il est petit et basé sur une technologie de fabrication standard, il pourrait être fabriqué pour quelques centimes, dit Mercier : si les volumes sont suffisamment importants, les prix sont très bas. De telles puces pourraient éventuellement devenir des systèmes de diagnostic jetables, presque aussi bon marché que les pansements ordinaires.

Et ce n'est peut-être qu'un début. Mercier, qui travaille sur de tels systèmes depuis cinq ans, évoque le potentiel de plusieurs dispositifs attachés à différentes parties du corps pour surveiller une variété d'indicateurs de santé à la fois. Les données seraient ensuite transmises en temps réel à un processeur central pour analyse. Le résultat serait ce qu'il appelle un réseau corporel.

Patrick Mercier, SM '08, et Denis Daly, SM '05, PhD '09, testent les tensions d'alimentation d'une puce utilisée pour contrôler le vol d'un papillon de nuit.

Se débarrasser des piles

Certaines des puces prototypes développées dans le MTL ne sont pas plus grosses qu'une graine de sésame, si petites qu'elles pourraient un jour être entièrement implantées dans le corps. En fin de compte, les chercheurs espèrent qu'ils pourraient fonctionner entièrement avec de l'énergie récupérée, sans jamais avoir besoin d'être rechargés.

Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '10, est l'un des nombreux étudiants MTL qui ont travaillé sur l'exploitation des filets d'énergie qui sont normalement gaspillés. Lors de la 2009 Energy Night au MIT Museum, organisée par le MIT Energy Club dirigé par des étudiants, Ramadass a présenté l'un des produits de ses recherches. Parmi les dizaines de stands et d'affiches présentant des projets liés à l'énergie, il n'était pas difficile à trouver : pendant la majeure partie de la nuit, il était entouré d'une foule de gens qui regardaient l'appareil bizarre qu'il portait sur son bras.

Conçu pour tirer de l'énergie de la petite différence entre la température de sa peau et la température de l'air qui l'entoure, le prototype n'était guère discret : près du creux de son bras se trouvait un dissipateur de chaleur en aluminium brillant et pointu, une sorte de radiateur qui se dissipe chaleur à l'air ambiant. Le dissipateur de chaleur dirigeait la chaleur de son corps à travers un collecteur thermoélectrique connecté à une minuscule puce qu'il avait conçue pour utiliser de manière inhabituellement efficace l'effet thermoélectrique présenté par certains matériaux semi-conducteurs : lorsqu'un côté est plus chaud que l'autre, le différentiel de température génère une tension électrique. La foule fascinée le parsemait de questions, notamment sur les utilisations futures possibles d'un tel système. Les utilisations les plus intéressantes restent dans le futur : le prototype produit trop peu d'électricité pour faire fonctionner un téléphone portable, alors qu'il en génère assez pour alimenter une montre ou une calculatrice.

Ramadass, qui travaille maintenant pour Texas Instruments (qui est l'un des principaux sponsors de la recherche du groupe, avec Intel et d'autres), a poursuivi deux approches différentes de la récupération d'énergie. En plus d'exploiter d'infimes différences de température, il a également développé des dispositifs expérimentaux pour exploiter l'énergie de petits mouvements et vibrations. Ces dispositifs utilisent des matériaux piézoélectriques, qui produisent un courant électrique en réponse à la pression. En fin de compte, dit-il, de petits appareils électroniques pourraient être connectés à des systèmes capables de récupérer les deux types d'énergie, afin de maximiser la puissance disponible.

Il y a encore des obstacles à surmonter. D'une part, les dispositifs piézoélectriques qui récupèrent l'énergie des mouvements et des vibrations produisent du courant alternatif, tandis que les circuits à semi-conducteurs ont besoin de courant continu. Parce que la quantité d'énergie disponible est si petite, explique Chandrakasan, les circuits qui convertissent le courant alternatif en courant continu devront être très efficaces. L'exploitation de l'énergie thermoélectrique nécessite également des étapes supplémentaires. La chaleur corporelle peut produire environ 50 millivolts de tension de sortie, dit-il. Ce n'est tout simplement pas suffisant pour faire fonctionner des circuits logiques. Un amplificateur de tension (transformateur) peut être utilisé pour augmenter la tension, mais encore une fois, les circuits qui effectuent la conversion doivent être suffisamment efficaces pour extraire la puissance utile d'une alimentation minuscule.

Regarder vers l'avant

En pensant à la mesure dans laquelle l'Infopad qu'il a imaginé en 1994 préfigurait l'iPad que les consommateurs peuvent acheter aujourd'hui, Chandrakasan se demande quels types d'appareils nous allons tous regarder, utiliser et jouer avec dans une dizaine d'années. Je pense aux défis que nous aurons à relever en 2020, dit-il. Il y aura des fonctions radicalement nouvelles, comme la photographie informatique – la possibilité de manipuler des images en temps réel – et des choses comme les entrées gestuelles et de nombreux types d'interfaces utilisateur. La minimisation de la consommation d'énergie sera ce qui rendra ces fonctions gourmandes en calculs pratiques pour de nombreuses applications.

Chandrakasan réfléchit également à des appareils plus petits, moins chers et plus simples qui pourraient faire la différence dans de nombreuses régions du monde qui n'ont pas accès aux commodités modernes les plus élémentaires. Dans le cadre d'une nouvelle collaboration, lui et Subra Suresh, l'ancien doyen de la School of Engineering du MIT et le nouveau directeur de la National Science Foundation, visent à développer un petit appareil de faible puissance qui pourrait diagnostiquer instantanément le paludisme. Aujourd'hui, peu de cliniques rurales sont en mesure d'effectuer les tests de laboratoire sur des échantillons de sang nécessaires pour fournir des résultats précis.

L'idée est de prélever une goutte de sang et de faire un laboratoire sur puce microfluidique pour ne pas avoir besoin d'un microscope sophistiqué, explique Chandrakasan. Tout se ferait par voie électronique – vous piégeriez les cellules et mesureriez leur activité électrique. L'ensemble de l'appareil, dit-il, aurait la taille d'un timbre-poste.

La réalisation de cette possibilité, bien sûr, est encore de nombreuses années dans le futur. Comment faire un diagnostic dans un endroit éloigné des cliniques, dans un village ? se demande Chandrakasan à voix haute. Mais il a hâte de voir cette vision devenir une réalité. Seize ans après son apparition révolutionnaire à la conférence de l'ISSC, il préside maintenant cette conférence. Ainsi, que de nouvelles avancées importantes dans les circuits à faible puissance proviennent de son propre laboratoire ou d'ailleurs, il est idéalement placé pour les voir en premier.

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