التعريف بمساهمات صغيرة من ذوي القوى المنخفضة في الإلكترونيات المستدامة

وفي السنوات الأخيرة، أصبح تطوير أجهزة التحكم الصغيرة ذات الطاقة المتدنية حجر الزاوية في الإلكترونيات المستدامة، وقد صُممت هذه الدوائر المتكاملة المدمجة لأداء مهام حاسوبية بأقل استهلاك للطاقة، مما جعلها أساسية في التطبيقات تتراوح بين التكنولوجيا القابلة للذوبان ونظم الرصد البيئية، ولا يقتصر الدافع نحو كفاءة الطاقة على توسيع نطاق حياة البطاريات فحسب، بل أيضا على الحد من الآثار البيئية العامة للأجهزة الإلكترونية، حيث أن الطلب العالمي على الأجهزة المترابطة لا يزال ينموا.

ويشهد تطور هذه المراكب الصغرى تحسينات مطردة في البنية وعمليات التصنيع وقدرات التكامل، ويمكن للمتحكمين المجهريين المتدنيي الطاقة أن يعملوا لسنوات على بطارية واحدة في الخلايا الصناعية، وإدارة المهام المعقدة مثل تجهيز البيانات، والاتصالات اللاسلكية، وقراءات الاستشعار، وتستكشف هذه المادة التقدمات الرئيسية في تكنولوجيا المتحكمين المتدنيين، وأثرها على الإلكترونيات المستدامة، وكذلك الاتجاهات المستقبلية التي تعد بقدر أكبر من الكفاءة.

ما هي أجهزة التحكم الدقيقة ذات الطاقة المنخفضة؟

فالعاملات المتناهية الصغر ذات الطاقة المنخفضة هي مجهزة متخصصة توازن الأداء المحسوب مع ميزانيات الطاقة الصارمة، وعلى عكس المجهزين للأغراض العامة الذين يرتبون أولويات السرعة أو المضخات، يتم هندسة المتحكمين في الطاقة الصغيرة لتقليل سحب الطاقة في كل دولة عاملة، وهي عادة ما تتضمن تخفيض سرعة ساعات العمل، ومجموعات التعليمات الفعالة، ومجالات الطاقة المتعددة التي تسمح بالتنشيط الانتقائي للمناطق المحيطة.

ويشمل الهيكل الأساسي للمراقبين الجزئيين ذوي القوى المنخفضة وحدة معالجة مركزية، وذاكرة (غير متفجرة وغير قابلة للاشتراك)، ومجموعة متنوعة من البيطريات المتكاملة مثل المحولات المشابهة إلى الأرقام، والموقّتات، والوصلات البينية للاتصالات المتسلسلة، وأحياناً أجهزة الاستشعار، والمميز الرئيسي هو القدرة على دخول الدول ذات القوى المنخفضة للغاية، بل وحتى تشكيلات الميكروفونات فقط.

وهذه الأجهزة موجودة في كل منتج إلكتروني مجهز بالبطارية تقريبا، بما في ذلك البقايا الطبية، والمستشعرات عن بعد، ومتعقبات اللياقة البدنية، والأجهزة المنزلية الذكية، ومعدات الرصد الصناعي، وتكاثرها نتيجة مباشرة للطلب على الأجهزة التي تكون دائما على اتصال والتي يجب أن تعمل لفترات طويلة دون استبدال البطاريات أو إعادة شحنها.

تاريخ وتطور المتحكمين في المشاريع الصغيرة ذات الطاقة المنخفضة

وقد بدأت رحلة المتحكمين بالمايكروفلور ذوي الطاقة المنخفضة في السبعينات باستخدام مجهزات بسيطة من أربعة أرباع في أجهزة الحاسبات والأجهزة، ومع تقدم تكنولوجيا شبه الموصلات، ظهرت مراكب صغيرة من طراز 8 أطنان مثل سلسلة إنتل 8051 وميكريشب PIC، مما يعرض أداء معتدلاً مع استهلاك معقول من الطاقة، إلا أنه لم يكن هناك تركيز رئيسي على تصميمات الطاقة المنخفضة، وهو ما دفعه انفجار الإلكترونيات.

وكانت سلسلة صكوك تكساس التي بدأ العمل بها في عام 1992 هي إحدى الأسر الأولى التي حققت على وجه التحديد أفضل عملية منخفضة الطاقة، مما أدى إلى إنشاء هيكل RISC من 16 إلى طرازاً متعدداً من وسائل الطاقة المنخفضة، مما وضع معياراً جديداً للصناعة، وقد شهدت العقود اللاحقة ارتفاع مجهزي شركة ARM Cortex-M، ولا سيما شركة Cortex-M0+ وشركة Cortex-M4، التي أصبحت تشكل أساساً كبيراً للأداء لكل وواة.

وقد شكلت 2010ات نقطة تحول مع إدخال تيارات نوم دون المستوى المتوسط وقدرات جمع الطاقة، وزادت المتحكمون البالغ الصغر مثل سلسلة أمبيك أبولو من عمليات الفولطية دون الأرضي لتحقيق كفاءة غير مسبوقة في الطاقة، واليوم، تقدم السوق مجموعة واسعة من وحدات خفض الانبعاثات الناجمة عن إنتاج الطاقة من قبيل " ستميرو إلكترونيكس " (سلسلة " ستام 32 " )، سلسلة " لاكونراكونتر " (.

أهم أوجه التقدم التقني

الهياكل الأساسية للطاقة - الكفاءة

ويستخدم المتحكمون المصغرون المتطورون من ذوي القوى المتدنية تقنيات معمارية متطورة للحد من استهلاك الطاقة، ومن أهمها الارتفاع الدينامي للفولط والتواتر، مما يتيح للمعالج تعديل حجمه التشغيلي وسرعة ساعاته استنادا إلى عبء العمل، وفي ترددات أقل، ينخفض استهلاك الطاقة بمقدار الربع مع الفولطية، مما يتيح تحقيق وفورات كبيرة خلال الحملات الخفيفة.

وثمة نهج آخر هو عملية فولتية شبه أرضية أو شبه أرضية، حيث يميل المترجمون إلى العمل بالقرب من خطهم العتبة، وهذا يقلل بشدة من تبديل السلطة، ولكنه يتطلب تصميما دقيقا للحفاظ على سلامة الإشارات وأدائها، وقد قامت شركات مثل شركة أمبيك ميكرو بدور رائد في هذا النهج، حيث حقق استهلاكا فعليا في الوقت الراهن منخفضا يصل إلى 10 ميكروغرامات/ميغاهرتز، مع الحفاظ على كامل القدرة الوظيفية.

بالإضافة إلى ذلك، وضع التعليمات المتقدمة تمديدات، مثل سمات (أر ر م) النائمة و الإنتظار للمفاجئة، تمكن وحدة مكافحة الإرهاب من دخول الولايات المنخفضة الطاقة تلقائياً بعد تجهيز مهمة، وتقليل دورات الهدر إلى أدنى حد، وهذه الابتكارات المعمارية تتيح للمتحكمين في الميكروفونات تحقيق كفاءة الطاقة التي كان يمكن تصورها قبل عقد من الزمن.

ميدوس النوم المتقدمة

ومن السمات المحددة للمتحكمين في الميكروفونات المنخفضة الطاقة توافر أساليب نوم متعددة، وتتيح هذه الوسائط للجهاز أن يزيل بصورة انتقائية مختلف النظم الفرعية مع الاحتفاظ بالقدرة على الاستيقاظ بسرعة استجابة للأحداث، وتشمل أساليب النوم النموذجية ما يلي:

  • Sleep mode:] The CPU is halted, but peripherals such as timers and watchdogs remain active.
  • Deep sleep mode:] The CPU and most peripherals are turned off, but a low-power oscillator and a few wake-up sources (like an external interrupt or a real-time hours) remain active. Consumption drops to the single-digit microamp range.
  • Shutdown mode:] The core is completely powered down except for a minimal set of circuits that can detect a wake-up signal. Current consumption can be as low as tens of nanoamps, although wake-up time may extend to milliseconds.
  • Backup mode:] Only a small portion of the tool remains powered to retain critical data in bat-backed RAM or registers. This mode is useful for applications where occasional state preservation is needed without fully restarting the system.

فالقدرة على الانتقال بين هذه الوسائط ببطئ، إلى جانب مصادر إيقاظ قابلة للبرمجة، تتيح للمصممين رقابة دقيقة على استخدام الطاقة، إذ يمكن للعديد من وحدات التصنيع المتوسط الحديثة أن تقضي أكثر من 99 في المائة من وقتها في دولة ذات قوة منخفضة، مستيقظاً لفترة وجيزة فقط لإجراء عملية قياس أو اتصالات.

أجهزة الاستشعار المتكاملة والفيروس

وقد أصبح إدماج أجهزة الاستشعار مباشرة في المتحكمات الدقيقة اتجاها قويا في التصميم المنخفض الطاقة، حيث إن إزالة أجهزة قياس الحرارة والرطوبة والضغط ومجسات الحركة على نفس الموت الذي يحصل عليه المجهز، يمكن للمصممين أن يقللوا عدد المكونات الخارجية، وتبسيط مخطط ثنائي الفينيل متعدد الكلور، وانخفاض الاستهلاك العام للطاقة، والقضاء على أجهزة التخاطب البينية وأجهزة تكييف الإشارات، التي يمكن أن تستمد ميزة كبيرة من المفاعل الحالي.

فعلى سبيل المثال، يدمج جهاز التليفزيون بوش سينسورتك BMA400 عملية تجهيز الإشارات والتصفية في الشيب، مما يتيح له استهلاك أقل من 5 ميكروات في شكل نشط مع توفير بيانات حركة عالية الجودة، وبالمثل، فإن جهاز الاستنشاق الآلي LIS2DH12 ذو القدرة المنخفضة يميز أساليب تشغيل متعددة ويمكن استخدامه في عملية متكاملة للكشف عن الاتجاهات السائدة في مجال الترددات المتوسطة والمركبات.

وفيما عدا أجهزة الاستشعار، كثيراً ما تشمل وحدات الإزالة الحديثة ذات القدرة المنخفضة مجموعة غنية من المنافذ المتكاملة مثل أجهزة التبريد، ومراقبي اللمسات المكثفة، ومتجانسات التناظر، وهذه المناشير التي تفرغ من التجهيز من وحدة منع الحمل، مما يتيح لها البقاء في حالة منخفضة القدرة لفترات أطول، كما أن الجمع بين التكامل والتطبيقات ذات الكفاءة في الظواهر هي عامل تمكيني رئيسي.

القدرة على التواصل بين الدول المنخفضة

وكثيرا ما يكون الاتصال اللاسلكي هو أكثر المهام كثافة في الطاقة في جهاز مزود بالطاقة البطارية، ولتناول هذا، يدمج الآن المتحكمون في الطاقة المتدنية خيارات الاتصال المتقدمة المصممة لتحقيق الكفاءة.() وأصبح بلوتون منخفض الطاقة معيارا للاتصال اللاسلكي القصير المدى، مع إصدارات جديدة مثل BLE 5.x تعرض درجة من الرطوبة الدنيا، ومدة أطول، وانخفاض استهلاك الطاقة من خلال سمات مثل الإرشادات الإعلانية والتنويع.

وتشمل التكنولوجيات اللاسلكية ذات القوى المنخفضة الأخرى بروتوكولات زغبي وثريد وفرعية لنظم الصحة العامة، وكلها مدعومة بمترجمين متكاملين في العديد من أسر اتحاد الأمهات، وتوفر شركة لورواان وصلة بعيدة المدى لتطبيقات التوحيد القياسي ذات ميزانيات منخفضة للغاية في مجال الطاقة، مما يتيح إمكانية الاتصال على أكثر من عدة كيلومترات مع الحفاظ على حياة البطارية المتعددة السنوات.

وبالإضافة إلى الإذاعة نفسها، فإن القدرة على إدارة فترات الاتصال وحجم مجموعات البيانات وبروتوكولات دوائر العمل في المعدات أمر بالغ الأهمية، ويشمل العديد من وحدات التنسيق المتعددة الأطراف جهازاً مخصصاً لمراقبة الراديو يتولى مهام الموصلات بصورة مستقلة، ويتيح لوحدة الاتصالات الرئيسية أن تنام مع الحفاظ على اتصال شبكي، وهذه الحمولة من الأجهزة هي مفرق رئيسي في الربط بين الطاقة المنخفضة.

عملية توسيع نطاق التكنولوجيا

وكان الانتقال إلى عقد تصنيع شبه الموصلات الأصغر هو المحرك الرئيسي لتخفيض الطاقة، ومع تقلص حجم العمليات الجيولوجية من 180 مترا إلى 40 متراً وما دونها، فإن الطاقة الدينامية لكل بوابة تنخفض، ويمكن تعبئة المزيد من المترجمين إلى نفس المنطقة، غير أن الأنهار الأصغر تطرح تحديات مثل زيادة التسرب الحالي، مما يمكن أن يهيمن على استهلاك الطاقة الكلي في أنماط النوم العميقة.

وللتخفيف من التسرب، يستخدم المتحكمون في الطاقة المتدنية تقنيات مثل تصميم الفولط المتعدد الأحواض، حيث يستخدم المترجمون الذين لديهم فولتات مختلفة في أجزاء مختلفة من الدائرة، وتستخدم أجهزة نقل العتبة العالية في مسارات منطقية غير حاسمة للأداء، مما يقلل بدرجة كبيرة من تسرب رؤوس الأموال الفرعية.

وتُعرض المصانع مثل أجهزة الحاسب الآلي (STMicroelectronics) وNXP مراكب صغيرة على 40 متراً وحتى 28 متراً، وهي عمليات تُفضي تحديداً إلى التشغيل المنخفض الطاقة، وتجمع بين القوة الدينامية المنخفضة مع مراقبة التسرب المتقدمة، مما يتيح تيارات نشطة تقل عن 50 ميكروغرام/ميغاهرتز وتيارات نوم في نطاق النانوم، ويستمر الجمع بين تكنولوجيا العمليات والابتكارات في تصميمات الدائرة في دفع الحدود الفعالة للطاقة.

الأثر على الإلكترونيات المستدامة

وتؤثر التطورات في المراكب الصغرى ذات الطاقة المنخفضة تأثيراً كبيراً على استدامة الإلكترونيات، فبتخفيض الطاقة اللازمة لتشغيل جهاز ما، تخفض هذه المكونات مباشرةً البصمة الكربونية المرتبطة باستهلاك الكهرباء، وفي التطبيقات التي تُستخدم فيها البطاريات غير القابلة للشحن، يعني تمديد عمر البطاريات أن هناك حاجة إلى تصنيع ونقل والتخلص من النفايات واستنفاد الموارد.

فبعد تحقيق وفورات في الطاقة، يمكن أن تؤدي وحدات التصنيع المزودة بقوى منخفضة إلى تطوير أجهزة أصغر حجماً، أخف، وأقل اعتماداً على مجموعات البطاريات الثقيلة، مما يقلل من المحتوى المادي والتأثير البيئي للصناعة، وفي كثير من الحالات، يمكن أن تُستخدم الأجهزة بكامل طاقتها من مصادر جمع الطاقة مثل الخلايا الشمسية، أو المولدات الكهربائية الحرارية، أو محصولات الفطائر، مما يزيل الحاجة إلى البطاريات.

وتبرز عدة مجالات تطبيقية رئيسية دور المتحكمين في استخدام الطاقة الصغيرة في الإلكترونيات المستدامة.

الرصد البيئي

وتتطلب نظم الرصد البيئي، التي تتبع نوعية الهواء، ونوعية المياه، وظروف التربة، ومعايير الطقس، شبكات من أجهزة الاستشعار الموزعة التي يجب أن تعمل بشكل مستقل لفترات طويلة، ويمكن أن تقوم أجهزة التحكم الدقيقة ذات الطاقة المنخفضة المجهزة بأجهزة متكاملة لقطع الغيار والوصل اللاسلكية بجمع ونقل البيانات من مواقع نائية دون تدخل بشري، وعلى سبيل المثال، يمكن أن تعمل أجهزة رصد نوعية الهواء التي تستخدم وحدات خفض الانبعاثات التراكمية لمدة سنوات على وصلة واحدة للبطاريات، وتوفر بيانات مستمرة عن الملوثات مثل Ptrogen.

وفي البيئات البحرية، تستخدم أجهزة الاستشعار المرتبطة بالبوي أو بذور قاع البحار وحدات خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من الطاقة المنخفضة لرصد درجة الحرارة والملوحة والهكتار والاكسجين المذوب، وهذه النظم حاسمة لدراسة تغير المناخ وصحة المحيطات، وقدرة العمل لمدة أشهر دون استبدال البطاريات على تقليل الحاجة إلى بعثات خدمة مؤثرة التكلفة والبيئة.

وتُنتج شبكات الرصد هذه بيانات قيمة للباحثين وواضعي السياسات، وتدعم القرارات المستنيرة بشأن إدارة الموارد ومكافحة التلوث، ويمكِّن انخفاض استهلاك الطاقة لدى المتحكمين في الميكرويين مباشرة من إمكانية تصعيد هذه الشبكات وقدرتها على البقاء في الأجل الطويل.

الزراعة الذكية

وتستفيد الزراعة الدقيقة من أجهزة التحكم المتناهية الصغر ذات الطاقة المنخفضة من أجل الاستخدام الأمثل للمياه، والتخصيب، ومكافحة الآفات، إذ لا يمكن للمزارعين أن يريوا إلا عند الحاجة، ويقللوا من نفايات المياه والطاقة المستخدمة في الضخ، وذلك عن طريق تحليل البيانات المستمدة من هذه أجهزة الاستشعار.

وكثيراً ما تستخدم شبكات الاستشعار اللاسلكية اللاسلكية في الزراعة الذكية تقنيات جمع الطاقة، مثل الشواهد التي تعمل بالطاقة الشمسية والتي تستخدم وحدات خفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والتي يمكن أن تخزن الطاقة في مكثفات صغيرة، ويقضي هذا النهج على الحاجة إلى استبدال البطاريات في المناطق التي يصعب الوصول إليها، والفوائد الاقتصادية والبيئية كبيرة: انخفاض استخدام المياه، وانخفاض المدخلات الكيميائية، وارتفاع غلة المحاصيل ذات الأثر الأصغر.

كما أن وحدات خفض القدرة العاملة المتعددة الكلور تتيح نظماً آلية للرقابة على المدافن والمزارع الهيدروبونية، حيث يلزم تنظيم الضوء ودرجات الحرارة والمغذيات بدقة، وقدرة على معالجة بيانات الاستشعار محلياً، دون الاعتماد على الربط السحابي، تقلل من طاقة الاتصالات وبطاقة استخدامها، مما يجعل هذه النظم أكثر مرونة وكفاءة.

أجهزة الصحة المرهقة

وقد أصبح مراقبو الصحة المستقرون في السنوات الأخيرة مفتقرين إلى المقاييس، وذلك بسبب توافر أجهزة التحكم بالمايكروفلور ذات الطاقة العالية، كما أن أجهزة مثل أجهزة رصد الغلوكوز المستمر، ومتعقبات القلب، ومسجلات الكهرباء يجب أن تعمل باستمرار في الوقت الذي تكون فيه صغيرة ومريحة للارتداء، كما أن وحدات التراكم المتعدد القدرة المنخفضة تمكن هذه الأجهزة من العمل لأيام أو أسابيع في فترة واحدة من إعادة الشحن.

ويقلل إدماج أجهزة الاستشعار وتجهيز الإشارات مباشرة على وحدة الرصد والمراقبة من الحاجة إلى عناصر خارجية، مما يتيح عوامل شكلية أصغر، فعلى سبيل المثال، يمكن للمراقبة الذكية أن تقيس معدل القلب ومستويات الأكسجين الدم باستخدام جهاز استشعار للتصوير الضوئي، وتجهز البيانات باستخدام وحدة متعددة المؤشرات ذات قوة منخفضة، وتظهر نتائج على عرض منخفض الطاقة، في حين تحافظ جميعها على حياة البطارية لعدة أيام.

وفي التطبيقات الطبية، تتسم موثوقية هذه الأجهزة وطولها بأهمية حاسمة، إذ أن وحدات خفض القدرة العاملة في مجال التصنيع المزودة بأجهزة تعجيلية تعمل على إنتاج أجهزة الحاسوب تكفل أمن البيانات وخصوصية المرضى، بينما لا تسمح وسائل النوم المتقدمة إلا عندما يحدث حدث مجد، وتحافظ على حياة البطارية، كما أن الجمع بين القوة المنخفضة والوظيفية المتكاملة يتيح توليداً جديداً من أدوات الرعاية الصحية الوقائية.

المباني الذكية والمدن

ويعتمد نظام التشغيل الآلي على آلاف أجهزة الاستشعار والمحاضرات لمراقبة الإضاءة والتدفئة والتهوية وتكييف الهواء، ويمكن أن يؤدي انخفاض الطاقة المصغرة التي تُدرج في هذه الأجهزة إلى خفض الاستهلاك الإجمالي للطاقة في مبنى ما عن طريق التمكين من التحكم في الشغل، وجني النور، والصيانة المتوقعة.

وفي المدن الذكية، تستخدم وحدات خفض القدرة على إنتاج المواد الكيميائية في مراقبة إضاءة الشوارع، ومجسات مواقف السيارات، ونظم إدارة النفايات، ومراكز الرصد البيئي، وقدرة هذه الأجهزة على إدارة عمليات جمع الطاقة أو البطاريات الطويلة العمر تقلل من تكاليف الصيانة وتقلل إلى أدنى حد من حالات الاضطراب التي تصيب البيئة الحضرية، ومع تزايد المدن، يزداد أهمية نشر الهياكل الأساسية المستدامة، كما أن أجهزة التحكم في الطاقة المتناهية الصغر هي في صميم هذا التحول.

التحديات والنظر في تصميم المتحكمات الدقيقة ذات النقاط المنخفضة

وعلى الرغم من التقدم المثير للإعجاب، فإن تصميم نظام المتحكمين بالمايكروفلور ذوي القوى المنخفضة ينطوي على عدة تحديات يجب أن يبحر المهندسون، ومن المسائل الهامة تحقيق التوازن بين استهلاك الطاقة والأداء، وفي حين أن وسائل الانتقال المنخفضة القدرة فعالة، فإن الانتقال بين الدول يستهلك الطاقة ويستحدث التساهل، ويجب على المصممين أن يحسنوا بعناية دورة عمل الجهاز، مع ضمان أن تكون فترات النوم طويلة بما يكفي للتعويض عن تكلفة الطاقة الناجمة عن الانهيار.

وثمة تحد آخر يتمثل في إدارة التسرب في مراحل متقدمة من مراحل العملية، حيث يتقلص المترجمون، ويصبح أكسيد البوابات أكثر رقاقة، ويزداد التسرب من الباطن، وفي حين أن التقنيات مثل قياسات الطاقة، والمساعدة في تصميم المركبات المتعددة المركبات، فإنها تضيف تعقيدا إلى التصميم وتحتاج إلى التحقق الدقيق، وعلى مستوى النظام، يجب على المصممين أيضا أن ينظروا في استهلاك الطاقة من المكونات الخارجية مثل أجهزة الاستشعار، والعرض، والنماذج اللاسلكية التي يمكن أن تهيمن عليها.

ويؤدي استخدام البرمجيات على الوجه الأمثل دورا حاسما في تحقيق إمكانات المعدات ذات الطاقة المنخفضة، ويستخدم كفاءة البرمجيات التي تقلل من الوقت النشط، ويستخدم الانفاق المتوقف، ويتجنب حلقات الاقتراع يمكن أن تمتد بشكل كبير من عمر البطاريات، غير أن تطوير هذه البرمجيات يتطلب فهما عميقا لملامح إدارة قدرة المتحكمين في الصغر المحددة ومتطلبات توقيت التطبيق.

أخيراً، اختيار تكنولوجيا البطاريات و تصميم الطاقة مرتبط ارتباطاً وثيقاً بقدرات المتحكمات الدقيقة، الإنزالات الفولطية كعمليات صرف البطاريات، والكثير من وحدات التصنيع المزودة بطاقات منخفضة جداً، مما يسمح لها باستخراج المزيد من الطاقة من البطارية طوال حياتها، ويجب على المصممين أيضاً أن ينظروا في الاحتياجات الحالية المتزايدة أثناء الاستيقاظ، والتي يمكن أن تسبب هبوطاً في الطاقة إذا لم يتم تصميم إمدادات الطاقة بشكل سليم.

الاتجاهات المستقبلية

ومن المقرر أن يستمر تطور المتحكمين في الميكروفونات المنخفضة الطاقة، وذلك بفضل التكنولوجيات الناشئة وتزايد الحاجة إلى استخدام الإلكترونيات المستدامة.

نظم تسخير الطاقة وتعبئة الطاقة الذاتية

ومن أكثر الحدود إثارة جني الطاقة، حيث يصمم المتحكمون على نطاق صغير للعمل بدون بطارية تقليدية، وزرع الطاقة الكهرمائية من الضوء، أو التدرج الحراري، أو الهتز، أو الأمواج الإذاعية، وقد أسفرت التطورات الأخيرة في تصميمات الطاقة الخالية من الطاقة العالية القدرة عن وحدات متعددة الكلورة قادرة على البدء والعمل بأقل من الترددات الدقيقة من أجهزة توليد الطاقة الكهربائية.

وتتطلب نظم جمع الطاقة دوائر متخصصة لإدارة الطاقة، ومصحات فعالة، وعناصر تخزين مثل أجهزة الاستطلاع الصغيرة أو البطاريات ذات الرشاقة الخفيفة، ووحدات خفض القدرة العاملة في مجال الطاقة المتعددة الكلورة ذات الإدارة المتكاملة للطاقة ووصلات الاستشعار تناسب هذه التطبيقات، مما يتيح للمستشعرات الذكية المستقلة التي يمكن نشرها إلى أجل غير مسمى في المواقع النائية.

حاسوب الأورام العصبية

ويمثل حساب الأورام العصبية خروجا جذريا عن البنايات التقليدية للفون نيومان، إذ يلهم هيكل ووظائف الأعصاب البيولوجية، يستخدم المجهزون العصبيون الرئويون شبكات الصبغة الصبغية لإجراء الحسابات بطريقة تحركها الأحداث، ولا يستهلكون الطاقة إلا عندما يحدث ارتفاع، ويتيح هذا النهج إمكانية الحصول على أوامر بتحسين كفاءة الطاقة بالنسبة لبعض أعباء العمل، مثل التعرف على النمط والحساسيات.

وقد بدأ المتحكمون في الميكروفونات المنخفضة الطاقة في دمج المعجلات العصبية، مما يتيح لهم تجهيز بيانات الاستشعار محليا بأقل قدر من الطاقة، وعلى سبيل المثال، يقدم جهاز الاستشعار المعالج العصبي الذي يمكن إدماجه في وحدة معالجة الأمراض العقلية ذات القدرة المنخفضة من أجل الكشف عن الصوت واللفتات، وهذه التكنولوجيا لا تزال في مراحلها المبكرة، ولكنها تعد بتمكين فئات جديدة من الأجهزة الذكية، التي تتسم بالكفاءة في استخدام الطاقة.

الاستخبارات الفنية في إدج

إن إدماج قدرات التعلم الآلي مباشرة في أجهزة التحكم المتناهية الصغر ذات الطاقة المنخفضة هو اتجاه سريع النمو، حيث أن أطر التعلم في مجال الآلات الصغيرة مثل تينسورفلوفلو مايكرو وإدج لامبولس تسمح للمطورين بنشر نماذج للشبكة العصبية على وحدات الإزالة بحجم قليل من الكيلوبايت من الذاكرة، ويمكن لهذه النماذج أن تؤدي مهام مثل تحديد الهوية، وكشف الظواهر غير المألوفة، وتصنيفات ذات القدرة المنخفضة.

كما أن تسارع استخدام البرمجيات الجاهزة للشبكات العصبية، مثل توسيع نطاق تجهيز ناقلات الهيليوم في كورتكس - م55 وكورتكس - م85، يوفر القدرة الحاسوبية اللازمة للاستقصاء في الوقت الحقيقي مع الحفاظ على الطاقة المنخفضة، مما يتيح للأجهزة الذكية تجهيز البيانات محليا، مما يقلل الحاجة إلى الربط السحابي وحافظة الطاقة في أجهزة لاسلكية.

إن الجمع بين وحدات الوصلات المتوسطة الحجم ذات الطاقة المنخفضة مع أجهزة الاستنشاق بالأجهزة الضوئية ذات قيمة خاصة بالنسبة للتطبيقات مثل الصيانة المتوقعة في البيئات الصناعية، حيث يمكن للكشف المبكر عن الأخطاء الآلات أن يحول دون حدوث انخفاض في الوقت المكلّف وأن يخفض النفايات، كما أنه يعزز الخصوصية عن طريق الاحتفاظ ببيانات حساسة عن الجهاز بدلا من إرساله إلى السحابة.

المواد الجديدة والإلكترونيات المرنة

وتُقدم المواد شبه الموصلية الناشئة مثل نيتريد الغاليوم وكاربيد السيليكون أداء أعلى في التطبيقات ذات الطاقة العالية، ولكن بالنسبة للملوثات الصغيرة ذات الطاقة الصغيرة، ينصب التركيز على المواد التي يمكن أن تتيح تشغيل الفولطية المرتفعة، ويقوم الباحثون باستكشاف مواد من نوع 2 دال مثل انفصام المنديل (MoS2) وأجهزة التصوير بالأشعة دون المحتوية على سعة.

وتمثل الإلكترونيات المرنة والمطبوعة حدوداً أخرى، وباستخدام الموصلات العضوية شبه الموصلات أو أجهزة تحويل أكسدة المعادن ذات الرش الرقيق، أظهر الباحثون وجود ملوثات صغيرة بسيطة على المقاطع الفرعية المرنة التي يمكن إدماجها في الأجهزة القابلة للارتداء، والتغليف الذكي، والقطع الطبية، وبينما تقدم هذه الأجهزة أداء أقل من وحدات الوصل المتعددة الكلورات القائمة على السيليكون، فإنهم يعدون بتمكين من عوامل الشكل والتطبيقات الجديدة تماماً بتكلفة منخفضة جداً وبأثير البيئي الأدنى.

وفي الأجل الطويل، من غير المرجح أن تؤثر أوجه التقدم في الحساب الكمي على وحدات خفض القدرة العاملة بصورة مباشرة، ولكن البحث في أجزاء كمية منخفضة القدرة (الجرعات) للمستشعرات المتخصصة يمكن أن يسفر عن أنواع جديدة من أجهزة القياس التي تراعي الاحتياجات من أعلى والتي تعمل في درجة حرارة الغرفة والتي تكون ميزانياتها منخفضة للغاية.

خاتمة

وتشكل أوجه التقدم في مجال المراكب الصغرى ذات الطاقة المنخفضة حجر الزاوية في الانتقال إلى الإلكترونيات المستدامة، ومن تكنولوجيات العمليات دون المتوسطة العميقة والهيكلات الفعالة للطاقة التي تقلل من استهلاك الطاقة إلى الحد الأدنى من تكامل أجهزة الاستشعار، والوصل اللاسلكي، والاستخبارات الاصطناعية، فإن هذه الأجهزة تتيح توليدا جديدا من المنتجات الإلكترونية الأصغر والأذكى وأكثر ملاءمة للبيئة.

وقد أصبح أثر هذه التكنولوجيات واضحا بالفعل في التطبيقات التي تتراوح بين الرصد البيئي والزراعة الذكية والأجهزة الصحية القابلة للارتداء والمدن الذكية، ونظرا لأن العالم يزداد ارتباطا، فإن أهمية كفاءة الطاقة ستزداد فقط، وسيستمر المتحكمون في الطاقة الصغيرة في أداء دور مركزي في الحد من الآثار الكربونية للالكترونيات.

وإذ يتطلع إلى المستقبل، إلى تقارب جني الطاقة، والحساب العصبي، وتعهد تيني ميل بخلق أجهزة تعمل بشكل مستقل لعدة عقود، وتقودها الطاقة الكهرمائية، وتكون قادرة على اتخاذ قرارات ذكية، وسيزيد البحث الجاري في المواد الجديدة والإلكترونيات المرنة من توسيع إمكانياتها، مما يؤدي إلى انخفاض القدرة على حساب التطبيقات التي كانت غير قابلة للتخيل في السابق.

وبالنسبة للمهندسين والمصممين، يتمثل التحدي في تسخير هذه القدرات على نحو مسؤول، وضمان ألا يكون الدفع نحو الابتكار على حساب الاستدامة في التصنيع وإدارة نهاية العمر، مع التصميم الدقيق والتركيز على دورة الحياة بأكملها، سيواصل المتحكمون في الطاقة الصغيرة دفع ثورة الإلكترونيات المستدامة لسنوات قادمة.

موارد خارجية لقراءة المزيد: Arm دليل لأجهزة التحكم الدقيقة منخفضة الطاقة ، ]STMicroelectronics STM32L series overview ، و Nordic Semiconductor's low-power wireless solutions[FL]