מבוא למיקרובקרים בעלי כוח נמוך באלקטרוניקה בת קיימא

בשנים האחרונות, הפיתוח של מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך הפך אבן הפינה של אלקטרוניקה בת קיימא.עיגולים משולבים קומפקטי אלה נועדו לבצע משימות מחשוב עם צריכת אנרגיה מינימלית, מה שהופך אותם חיוניים עבור יישומים החלים מטכנולוגיה לבישה לחיישנים חכמים ומערכות ניטור סביבתי.הכונן לקראת יעילות אנרגיה הוא לא רק על הרחבת חיי הסוללה אלא גם על צמצום טביעת הרגל הסביבתית הכוללת של מכשירים אלקטרוניים.

האבולוציה של המיקרובקרים האלה מסומנים על ידי שיפורים יציבים אדריכלות, תהליכי ייצור ויכולות אינטגרציה.מיקרובקרים בעלי כוח נמוך מודרני יכול לפעול במשך שנים על סוללה חד-תא יחיד, ניהול משימות מורכבות כגון עיבוד נתונים, תקשורת אלחוטית, ומקרינים קריאה. מאמר זה חוקר את ההתקדמות מפתח בטכנולוגיית מיקרו-בקר נמוכה, השפעתם על אלקטרוניקה בת קיימא, ואת הכיוונים עתידיים המבטיחים אפילו יעילות רבה יותר ויכולות.

מה הם מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך?

מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך הם מעבדים מיוחדים אשר מאזן ביצועים חישוביים עם תקציבי אנרגיה קפדניים.בניגוד מעבדים למטרות כלליות כי עדיפות מהירות או באמצעות חישוב, מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך מנדסים כדי למזער את כוח המשיכה בכל מדינה מבצעית.הם בדרך כלל תכונה מהירויות שעון מופחתות, מערכות הוראה יעילות, ותחומים מרובים כוח המאפשר הפעלה סלקטיבית של היקפיים.

הארכיטקטורה הליבה של מיקרובקר בעל כוח נמוך כוללת יחידת עיבוד מרכזית (CPU), זיכרון (גם תנודתי וגם לא-volatile), ומגוון של היקפי משולבים כגון ממירים אנלוגיים-לדיגיטליים (ADCs), צירים, ממשקי תקשורת סידוריים, ולעתים חיישנים.המתת המפתח היא היכולת להיכנס למצבים נמוכים מאוד, לעתים קרובות לצרוך רק מיקרואמפים או אפילו ננומים קריטיים.

מכשירים אלה נמצאים כמעט בכל מוצר אלקטרוני מופעל על ידי סוללה, כולל שתלים רפואיים, חיישנים מרוחקים, עוקבים כושר, מכשירים ביתיים חכמים וציוד ניטור תעשייתי.התפוצה שלהם היא תוצאה ישירה של הביקוש עבור תמיד על, תמיד מחובר מכשירים כי חייב לפעול לתקופות מורחבות ללא החלפת סוללה או התחדשות.

היסטוריה ואבולוציה של מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך

המסע של מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך החל בשנות ה-70 עם מעבדים פשוטים של 4 סיביות המשמשים במחשבונים ומכשירים.כטכנולוגיית המוליכים למחצה מתקדמת, מיקרו-בקרים 8 סיביות כמו סדרת Intel 8051 ומיקרוצ'יפ PIC הופיעו, המציע ביצועים מתונה עם צריכת חשמל סבירה.עם זאת, לא רק בשנות ה-90 המוקדמות וה -2000 המוקדמות, כי עיצוב כוח נמוך הפך למוקד העיקרי, על ידי הפיצוץ האלקטרוניקה הנייד.

סדרת MSP430 של טקסס, שהוצגה בשנת 1992, הייתה אחת המשפחות הראשונות שמותאמות במיוחד למבצע כוח נמוך, הכולל אדריכלות של 16 סיביות RISC עם מספר מצבי כוח נמוך.זה קבע תקן חדש עבור התעשייה. מצע עשרות שנים ראו עלייה של מעבדי ARMx-M, במיוחד Cortex-M0+ ו-Corx-M4, אשר הביא ביצועים גבוהים ל- אינספור עיצובים נמוכים.

2010s סימנו נקודת מפנה עם הצגת זרמי שינה תת-מיקרו-אמפ ויכולות קציר אנרגיה.מיקרובקרים כמו סדרת Ambiq אפולו מינוף תפעול מתח תת-קרקעי כדי להשיג יעילות אנרגיה חסרת תקדים כיום, השוק מציע מגוון רחב של MCUs כוח נמוך מיצרנים כגון STMicroronics (S 32L סדרה), Nordicconductor (nRF), רנסאנס (R), רנסטקטורלי (R), רנסטברס), רנסטקטור (R), רנסטקטור (R), רנסטקטור (R), רנסטקטורליקס) ו-RIRF), רנסטקטור (RRA) רנסטקטור (RIRSTRA) רנסטקטור (RIRSTRA) רנסטקטור (RIRF), רנסטבסדרה, רנסטקטור (RIRF), רנסטקטור (RIRF), רנסאנס, רנסטקטור (R) רנסטי רנסאנס, רנסטקטור (RIRF) רנסאנס, רנסטקטורליקס) רנסטקטור (RIRSTRIRSTRIRSTRIRSTRIRSTA) רנסטוריקס) רנס

קידום טכני מפתח

אדריכלות יעילה באנרגיה

מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך מודרני משתמשים בטכניקות אדריכליות מתוחכמות כדי להפחית את צריכת האנרגיה.אחד מהמשמעותיים ביותר הוא מתח דינמי ותדירות הסקאלה (DVFS), המאפשרת למעבד להתאים את מהירות המתח התפעולי שלו ואת מהירות השעון בהתבסס על עומס העבודה. בתדרים נמוכים יותר, צריכת החשמל יורדת באופן חד-משמעי עם מתח, ומאפשר חיסכון משמעותי במהלך עומסי אור.

גישה נוספת היא תת-reshold או ליד-thereshold הפעלה, שבו טרנזיסטורים מוטים לפעול ליד מתח סף שלהם.זה מפחית באופן דרסטי את החלפת כוח אבל דורש עיצוב זהיר כדי לשמור על שלמות אותות וביצועים. חברות כמו Ambiq מיקרו החלו גישה זו, השגת צריכת פעילה כ -10 מיקרוA / MHz תוך שמירה על פונקציונליות מלאה.

בנוסף, הרחבות מתקדמות של הוראות, כגון ARM של Sleep-on-Exit ו- Wait-for-interrupt תכונות, מאפשרות ל- CPU להיכנס למדינות בעלות כוח נמוך באופן אוטומטי לאחר עיבוד משימה, צמצום מחזורים מבזבזים.החידושים האדריכליים הללו מאפשרים למיקרו-בקרים להשיג יעילות אנרגיה שלא הייתה ניתנת לדמיון לפני עשור.

מצבי שינה מתקדמים

אחת התכונות המגדירות של מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך היא הזמינות של מצבי שינה מרובים.מצבים אלה מאפשרים למכשיר להשבית באופן סלקטיבי תת-מערכות שונות תוך שמירה על היכולת להתעורר במהירות בתגובה לאירועים.

  • (FLT:0) מצב של שעון: 1FLT:1 ה- CPU הופסק, אבל היקפי כגון צירים וכלבים שמירה להישאר פעיל. Wakeup הוא מהיר מאוד, בדרך כלל בתוך כמה מיקרו-שניות.
  • (FLT:0) מצב שינה: FLT:1 ה- CPU ורוב ההפריפרפרים כבויים, אבל אוספי כוח נמוך וכמה מקורות מתעוררים (כמו הפרעה חיצונית או שעון בזמן אמת) נשארים פעילים.
  • (ב) [15] ,0) מצב ההפניה: 1FLT:1 הליבה מופעלת לחלוטין למעט קבוצה מינימלית של מעגלים שיכולים לזהות אות ערה.
  • (FLT:0) חזרה מוד: 1FLT רק חלק קטן של המכשיר נשאר מופעל כדי לשמור נתונים קריטיים ב- RAM או רישום סוללות.מצב זה שימושי עבור יישומים שבהם שימור המדינה מזדמן נדרש מבלי להפעיל מחדש את המערכת.

היכולת לעבור בין מצבים אלה בצורה חלקה, בשילוב עם מקורות מתעוררים מתוכנתים, מעניקה למעצבים שליטה על השימוש באנרגיה. MCUs מודרניים רבים יכולים לבלות מעל 99% מהזמן שלהם במצב של כוח נמוך, להתעורר רק בקצרה כדי לבצע מדידה או תקשורת.

חיישנים משולבים ופריפראלים

חיישנים חודרים ישירות לתוך המיקרובקר הפך מגמה חזקה בעיצוב כוח נמוך.על ידי הצבת טמפרטורה, לחות, לחץ, או חיישני תנועה באותו ימות כמו המעבד, מעצבים יכולים להפחית את מספר הרכיבים החיצוניים, לפשט את הפריסה PCB, וצריכת חשמל נמוכה יותר.החיסול של מעגלים ומניחה אותות, אשר יכול לצייר זרם משמעותי, הוא יתרון גדול.

לדוגמה, ה- Bosch Sensortec BMA400 accelerometer משלב עיבוד אותות וסינון על שבב, המאפשר לו לצרוך פחות מ 5 מיקרוA במצב פעיל תוך מתן נתונים באיכות גבוהה של תנועה נתונים באופן דומה, STMicroelectronics' LIS2DH12 נמוך כוח-עוצמה תכונות מרובות מצבי הפעלה ויכול לשמש עם MCU משולב כדי לזהות ללא פגע, טרנדים אחרים ללא המעבדים מתעוררים.

מעבר לחיישנים, MCUs מודרני כוח נמוך לעתים קרובות לכלול קבוצה עשירה של חומרים משולבים כגון מאיצים קריפטוגרפיים חומרה, בקרי מגע קיבוליבי, ונוסחאות אנלוגיות. אלה חומרים מדלנים עיבוד מן CPU, המאפשרים לו להישאר במצב כוח נמוך לתקופות ארוכות יותר. השילוב של שילוב ופריפריה יעילה הוא מפתח עבור יישומים תמיד כמו הפעלה.

נמוך עוצמה קישוריות

תקשורת אלחוטית היא לעתים קרובות המשימה האנרגטית ביותר במכשיר מופעל סוללות.כדי לטפל בזה, מיקרובקרים בעוצמה נמוכה לשלב כעת אפשרויות קישוריות מתקדמות המיועדות ליעילות. Bluetooth Low Energy (BLE) הפך לסטנדרט לתקשורת אלחוטית לטווח קצר, עם גרסאות חדשות יותר כמו BLE 5.x המציעות שקיפות נמוכה יותר, טווח נמוך יותר, וצריכת חשמל נמוכה יותר באמצעות תכונות כמו פרסום וקוד PHY.

טכנולוגיות אלחוטיות בעלות עוצמה נמוכה אחרות כוללות את Zigbee, Messenger, ופרוטוקולים של תת-הרץ הקנייניים, אשר כולם נתמכים על ידי טרנסג'נדרים משולבים במשפחות MCU רבות. LoRaWAN מספק קישוריות ארוכת טווח לאפליקציות IoT עם תקציבי חשמל נמוכים מאוד, המאפשרים למכשירים לתקשר מעל כמה קילומטרים תוך שמירה על חיי סוללה רב שנתית.

בנוסף לרדיו עצמו, היכולת לנהל מרווחי חיבור, גודל חבילת נתונים, ופרוטוקולים רכיבה על אופניים חובה בחומרה הוא קריטי. MCUs רבים כוללים בקר רדיו ייעודי המטפל במשימות קישור באופן עצמאי, ומאפשר ל- CPU הראשי לישון תוך שמירה על חיבור רשת. חומרה זו מנקה היא מתווך מפתח לחיבורות כוח נמוך.

טכנולוגיה חישוב

המעבר לנקודות ייצור קטנות יותר של Semiconductor היה נהג מרכזי של צמצום חשמל.כמו תהליך גיאוגרפיה מתכווץ מ-180nm ל-40nm ומתחת, הכוח הדינמי לשער יורד, ועוד טרנזירים יכולים להיות ארוזים באותו אזור.עם זאת, צמתים קטנים יותר מציגים אתגרים כגון זרם דליפה מוגברת, אשר יכול לשלוט צריכת החשמל הכוללת במצבי שינה עמוקים.

כדי להפחית את הדליפה, מיקרובקרים בעלי כוח נמוך משתמשים בטכניקות כגון מתח רב-עוצמה (multi-Vt) עיצוב, שבו טרנזיסטורים עם מתחי סף שונים משמשים בחלקים שונים של המעגל. transistors גבוה יותר משמשים עבור נתיבים לוגיים שאינם קריטיים, באופן משמעותי להפחית את הדליפה תת-קרקעית.

יצרנים כמו STMicroelectronics ו NXP מציעים microcontrollers על 40nm ואפילו 28nm תהליכים אופטימיזציה במיוחד עבור פעולה כוח נמוך כוח כוח דינמית אלה משלבים כוח דינמי נמוך עם שליטה דליפה מתקדמת, המאפשר זרמים פעילים מתחת 50 μA / M ו זרמי שינה בטווח ננואמפ. השילוב של תהליך וחדשנות עיצוב מעגלים ממשיך לדחוף את הגבולות של מה אפשרי מחשוב אנרגיה יעילה.

השפעה על Sustainable Electronics

ההתקדמות של מיקרובקרים בעלי כוח נמוך יש השפעה עמוקה על קיימות של אלקטרוניקה.על ידי צמצום האנרגיה הנדרשת כדי להפעיל מכשיר, רכיבים אלה ישירות להפחית את טביעת הרגל פחמן הקשורה לצריכת חשמל.ביישומים שבהם מכשירים מופעלים על ידי סוללות שאינן ניתנות לטעינה, חיי סוללה מורחבים פירושו פחות סוללות צריך להיות מיוצר, מונע, ו unposed של צמצום פסולת ו depletion.

מעבר לחיסכון באנרגיה, MCUs כוח נמוך מאפשר פיתוח של מכשירים קטנים יותר, קלים יותר ופחות להסתמך על ערכות סוללות כבדות.זה מפחית את התוכן החומרי ואת ההשפעה הסביבתית של הייצור. במקרים רבים, מכשירים יכולים להיות מופעלים לחלוטין על ידי מקורות קציר אנרגיה כגון תאים סולאריים, גנרטורים תרמואלקטריים, או מקציני אדזואלקטריים, לחסל את הצורך עבור סוללות לחלוטין.

כמה אזורי יישום מרכזיים מדגישים את התפקיד של מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך באלקטרוניקה בת קיימא.

פיקוח סביבתי

מערכות ניטור סביבתיות, אשר עוקבות אחר איכות האוויר, איכות המים, תנאי הקרקע ופרמטרי מזג האוויר, דורשות רשתות של חיישנים מבוזרים כי חייב לפעול באופן אוטונומי לתקופות מורחבות. מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך מצויד עם ADCs משולב וקישוריות אלחוטית יכולים לאסוף ולהעביר נתונים ממקומות מרוחקים ללא התערבות אנושית.לדוגמה, פיקוח איכות אווירי באמצעות MCUs דלת-עוצמה נמוכה יכול לרוץ במשך שנים על חיבור סוללה יחיד, מתן נתונים רציף על חומרים כגון חנקן, אוקס, כגון חנקן, או חנקן, או חנקן, או חנקן.

בסביבה ימית, חיישנים המחוברים ל-buoys או בלוטות קרקעית הים משתמשים ב- MCUs כוח נמוך כדי לפקח על הטמפרטורה, הסליליות, pH, וממסים חמצן.מערכות אלה קריטיות ללימוד שינויי אקלים ובריאות האוקיינוס.היכולת לפעול במשך חודשים ללא החלפת סוללות מפחיתה את הצורך במשימות שירות בעלות השפעה יקרה וסביבתית.

רשתות ניטור אלה מייצרות נתונים יקרים עבור חוקרים וקובעי מדיניות, תמיכה בהחלטות מושכלות על ניהול משאבים ושליטה בזיהום.צריכת הכוח הנמוכה של המיקרובקרים מאפשרת ישירות את ההיקף ואת יכולתן ארוכת טווח של רשתות כאלה.

החקלאות החכמה

חקלאות Precision מממנת מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך כדי לייעל את השימוש במים, הפריה ובקרת המזיקים. Soil לחות חיישני, תחנות מזג אוויר, וחיישנים המבוססים על מל"טים, כולם מסתמכים על MCUs שיכולים לפעול בתחום במשך שנים על כוח מינימלי.על ידי ניתוח נתונים מהחיישנים האלה, החקלאים יכולים להערים רק כאשר הם זקוקים, צמצום פסולת מים ואנרגיה לשימוש.

רשתות חיישן אלחוטיות בחקלאות חכמה לעתים קרובות להשתמש בטכניקות קצירת אנרגיה, כגון צמתים המופעלים על ידי השמש עם MCUs כוח נמוך אשר יכול לאחסן אנרגיה ב supercapacitors קטנים. גישה זו מבטלת את הצורך החלפת סוללות באזורים קשים ל-reach.היתרונות הכלכליים והסביבתיים הם משמעותיים: צריכת מים מופחתת, קלטות כימיות נמוכות יותר, ויבול גבוה יותר עם טביעת רגל קטנה יותר.

MCUs כוח נמוך גם מאפשר מערכות בקרה אוטומטיות עבור חממות וחוות הידרופוניות, שבו תקנה מדויקת של אור, טמפרטורה ורמות תזונתיות נדרשת.היכולת לעבד נתונים חיישן באופן מקומי, מבלי להסתמך על קישוריות בענן, מפחיתה את אנרגיית התקשורת ואת הסבלנות, מה שהופך את המערכות האלה ליותר גמיש ויעיל יותר.

מכשירים רפואיים

צגים בריאים לביש הפכו להיות כלולים בשנים האחרונות, מונעים על ידי זמינות של מיקרובקרים אולטרה-עוצמה. מכשירים כגון צגים גלוקוז רצופים, מסלולי קצב לב, ואלקטרוקרדיוגרם (ECG) צריכים לפעול ברציפות תוך כדי להיות קטן ונוח ללבוש.- MCUs כוח נמוך מאפשר מכשירים אלה לרוץ במשך ימים או שבועות על טעינה אחת או שבועות, במקרים מסוימים על סוללה ראשונית בחודשים.

שילוב של חיישנים ועיבוד אותות ישירות על MCU מפחית את הצורך רכיבים חיצוניים, המאפשרים לגורמי צורה קטנים יותר.לדוגמה, שעון חכם יכול למדוד קצב לב ורמות חמצן בדם באמצעות חיישן photoplethysmography (PPG), לעבד את הנתונים באמצעות MCU כוח נמוך, ולהציג תוצאות על תצוגה דלת כוח, כל תוך שמירה על סוללה של כמה ימים.

ביישומים רפואיים, האמינות והארוכותיות של מכשירים אלה הם קריטיים.נמוך כוח MCUs עם מאיצים קריפטוגרפיים חומרה להבטיח אבטחת מידע ופרטיות המטופלת, בעוד מצבי שינה מתקדמים מאפשרים למכשיר להתעורר רק כאשר אירוע משמעותי מתרחש, שמירה על חיי הסוללה.שילוב של כוח נמוך פונקציונליות משולבת מאפשרת דור חדש של כלי בריאות מונעים.

בניינים חכמים וערים

מערכות אוטומציה בניין מסתמכות על אלפי חיישנים ומבצעים כדי לשלוט בתאורה, חימום, אוורור ומיזוג אוויר (HVAC) מערכות מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך המוטבעים במכשירים אלה יכולים להפחית את צריכת האנרגיה הכוללת של בניין על ידי מתן שליטה המבוססת על דיקור, קצירת אור יום ותחזוקה חיזוי. a Smart thermostat באמצעות a אולטרה-עוצמה נמוכה MCU יכול לרוץ במשך שנים על סוללות חד-מרכזיות, באמצעות מרכז יחיד או מרכז יחיד.

בערים חכמות, MCUs כוח נמוך משמשים בקרדי תאורה רחוב, חיישנים חניה, מערכות ניהול פסולת ותחנות ניטור סביבתיות.היכולת להפעיל את המכשירים האלה על קצירת אנרגיה או סוללות ארוכות חיים להפחית עלויות תחזוקה ומפחיתה הפרעות לסביבה העירונית. asערים לגדול, פריסת תשתיות בר קיימא הופכת חשובה יותר ויותר, ומיקרו-בקרי כוח נמוך הם בליבת השינוי הזה.

אתגרים ושיקולים בעיצוב מיקרובקר בעל כוח נמוך

למרות ההתקדמות המרשימה, עיצוב עם מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך כרוך במספר אתגרים שהמהנדסים חייבים לנווט.נושא משמעותי אחד הוא איזון צריכת החשמל עם ביצועים. בעוד מצבי כוח נמוך יעילים, מעבר בין מדינות צורכת אנרגיה ומציגה שקיפות. מעצבים חייבים לייעל בזהירות את מחזור החובה של המכשיר, להבטיח כי תקופות שינה הן מספיק זמן לפצות עלות האנרגיה של התעוררות.

אתגר נוסף הוא ניהול הדלפה הנוכחית בתהליך מתקדם נושטים.כפי שטורפים מתכווץ, תחמוצת השער הופכת לדלעת, ועלייה של דליפת תת-קרקעית-הרסה. בעוד טכניקות כמו עזרה עיצוב רב-וואט, הן מוסיפים מורכבות לתכנון ודורשות אימות זהיר. ברמת המערכת, מעצבים חייבים גם לשקול את צריכת הכוח של רכיבים חיצוניים כגון תצוגות, חיישנים, ומודולים אלחוטיים, אשר יכולים לשלוט בתקציב הכולל.

אופטימיזציה תוכנה ממלא תפקיד מכריע במימוש הפוטנציאל של חומרה בעלת כוח נמוך. קושחה יעילה הממזער זמן פעיל, משתמש ב-Break-up המונעת על ידי הפרעה, והימנעות מהלאות של אבקת יכול להאריך באופן דרמטי את חיי הסוללה.עם זאת, פיתוח קושחה כזאת דורש הבנה עמוקה של תכונות ניהול הכוח של המיקרובקר הספציפי ואת דרישות התזמון של היישום.

לבסוף, הבחירה של טכנולוגיית סוללות ועיצוב אספקת חשמל קשורה קשר הדוק ליכולות של המיקרובקר. וולטאג טיפות כמו הפרשות הסוללה, ו MCUs כוח נמוך מאוד מתחים מינימליים מינימליים, המאפשר להם להפיק יותר אנרגיה מהסוללה על החיים שלה. מעצבים חייבים גם לשקול את דרישות הזינוק הנוכחי במהלך ההתעוררות, אשר יכול לגרום לירידה מתח אם אספקת הכוח אינה מתוכננת כראוי.

כיוונים עתידיים

במבט קדימה, האבולוציה של מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך צפויה להימשך, מונעת על ידי טכנולוגיות מתפתחות והצורך הגדל של אלקטרוניקה בת קיימא.

מערכות אנרגיה וכוח עצמי

אחד הגבולות המרגשים ביותר הוא איסוף אנרגיה, שבו מיקרובקרים נועדו לפעול ללא סוללה מסורתית, צצים אנרגיה מאנרגיה מאור, ⁇ תרמי, רטט, או גלי רדיו. ההתקדמות האחרונה בעיצוב אולטרה-עוצמה לייצר MCUs המסוגלים להתחיל ולפעול עם מעט מיקרו-וואט של חברות חשמל.

מערכות איסוף אנרגיה דורשות מעגלים ניהול חשמל מיוחדים, ממריצים יעילים, ואלמנטים אחסון כמו קפקאים זעירים או סוללות פילים דקים. MCUs כוח נמוך עם ניהול חשמל משולב ממשקי חיישן מתאימים היטב ליישומים אלה, המאפשר חיישנים חכמים אוטונומיים שניתן לפרוס ללא הגבלת זמן במקומות מרוחקים.

מחשוב נוירו-מורפי

מחשוב נוירומורפילי מייצג עזיבה רדיקלית מהאדריכלות המסורתיות של פון נוימן. בהשראת המבנה והתפקוד של נוירונים ביולוגיים, מעבדי נוירומורפילרפי משתמשים ברשתות עצביות כדי לבצע חישובים באופן מונע אירוע, צריכת אנרגיה רק כאשר ספייק מתרחש. גישה זו מציעה את הפוטנציאל להזמנות של שיפור גודל ביעילות אנרגיה עבור עומסי עבודה מסוימים, כגון דפוס זיהוי ועיבוד נתונים.

מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך מתחילים לשלב מאיצים נוירו-מורפיים, המאפשרים להם לעבד נתוני חיישן באופן מקומי עם אנרגיה מינימלית.לדוגמה, SynSense מציעה מעבד נוירו-מורפי שניתן לשלב עם כוח נמוך MCU עבור קול וגילוי מחווה.טכנולוגיה זו עדיין בשלבים המוקדמים שלה, אך היא מבטיחה לאפשר כיתות חדשות של מכשירים אינטליגנטיים, אנרגיה יעילה.

אינטליגנציה מלאכותית ב- Edge

שילוב יכולות למידת מכונה ישירות על מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך הוא מגמה הולכת וגוברת. LIML (TinyML) מסגרות כמו TensorFlow Lite Micro ו- Edge Impulse מאפשר למפתחים לפרוס מודלים ברשת עצבית על MCUs עם מעט כמו כמה קילויבי זיכרון.מודלים אלה יכולים לבצע משימות כגון ציון מילות מפתח, זיהוי, ודימוי עם סיווג נמוך מאוד וצריכת חשמל.

האצה קשיחה עבור רשתות עצביות, כגון ARM Helium ועיבוד וקטור (MVE) נמצא קורטקס-M55 ו-Cortx-M85 ליבות, מספק את החישוב הדרוש להתאמה בזמן אמת תוך שמירה על כוח נמוך.זה מאפשר מכשירים חכמים לעבד נתונים באופן מקומי, צמצום הצורך בחיבורי ענן ושמירה על אנרגיה בתמסורת אלחוטית.

השילוב של MCUs עם AI על-ידי ניתוק הוא בעל ערך מיוחד עבור יישומים כמו תחזוקה חיזוי בהגדרות תעשייתיות, שבו גילוי מוקדם של תקלות מכונה יכול למנוע זמן השבתה יקר להפחית את הפסולת.זה גם משפר את הפרטיות על ידי שמירה על נתונים רגישים על המכשיר ולא לשלוח אותו לענן.

חומרים חדשים ואלקטרוניקה גמישה

חומרים מוליכים למחצה כגון גליום nitride (GaN) ו סיליקון carbide (SiC) מציעים ביצועים מעולים ביישומים בעלי כוח גבוה, אבל עבור מיקרובקרים כוח נמוך, המוקד הוא חומרים שיכולים לאפשר הפעלה אולטרה-נמוכה. חוקרים חוקרים חוקרים בודקים חומרים 2D כמו deulfide molybdenum (MoS2) וגרף כדי ליצור טרנזירים שיכולים לפעול ב-0.5Vage בעוד שמירה נמוכה.

אלקטרוניקה גמישה ו מודפסת מייצגת גבול אחר.שימוש במוליכים למחצה אורגניים או טרנזיסטורים סרטניים דקים, החוקרים הוכיחו מיקרובקרים פשוטים על תת-שכבות גמישות שניתן לשלבם במכשירים לבישים, אריזה חכמה ותיקונים רפואיים. בעוד מכשירים אלה מציעים ביצועים נמוכים יותר מאשר MCUs מבוססי סיליקון, הם מבטיחים לאפשר גורמי צורה חדשים לחלוטין ויישומים בעלות נמוכה מאוד עם השפעה סביבתית מינימלית.

בטווח הארוך יותר, התקדמות במחשוב הקוונטים אינה צפויה להשפיע באופן ישיר על כוח נמוך MCUs, אבל המחקר על ביטים קוונטיים בעלי כוח נמוך (qubits) עבור חיישנים מיוחדים יכול להניב סוגים חדשים של מכשירים למדידה אולטרה-רגישים שפועלים בטמפרטורת החדר עם תקציבי חשמל נמוכים מאוד.

מסקנה

ההתקדמות במיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך היא אבן הפינה של המעבר לאלקטרוניקה בת-קיימא.מטכנולוגיות תהליכים תת-מיקרוניים עמוקות וארכיטקטורה יעילה באנרגיה המפחיתות את צריכת החשמל לשילוב של חיישנים, קישוריות אלחוטית ואינטליגנציה מלאכותית, מכשירים אלה מאפשרים דור חדש של מוצרים אלקטרוניים קטנים יותר, חכמים וידידותיים יותר לסביבה.

ההשפעה של טכנולוגיות אלה כבר גלויה ביישומים החל ניטור סביבתי וחקלאות חכמה כדי ללבוש מכשירים בריאותיים וערים חכמות.כפי שהעולם הופך להיות מחובר יותר, החשיבות של יעילות אנרגיה רק תגדל, ומיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך ימשיכו לשחק תפקיד מרכזי בהפחתת טביעת הרגל של פחמן אלקטרוניקה.

במבט קדימה, ההתכנסות של קצירת אנרגיה, מחשוב נוירו-מורפי, ו- TinyML מבטיחה ליצור מכשירים הפועלים באופן אוטונומי במשך עשרות שנים, המופעלים על ידי אנרגיה מכוננת ומסוגלים לקבל החלטות חכמות.המחקר המתמשך לחומרים חדשים ואלקטרוניקה גמישה ירחיב את האפשרויות, ויגרור מחשוב בעל עוצמה נמוכה ליישומים שהיו בלתי ניתנים לדמיון קודם לכן.

עבור מהנדסים ומעצבים, האתגר הוא לרתום את היכולות הללו באחריות, להבטיח כי דחיפה לחדשנות לא תבוא על חשבון הקיימות בייצור וניהול מקצה החיים.עם תכנון זהיר והתמקדות בכל מחזור החיים, מיקרו-בקרים בעלי כוח נמוך ימשיכו להניע את המהפכה האלקטרוניקה בת קיימא במשך שנים.

מקורות חיצוניים לקריאה נוספת: (FLT:0Arm’s Guide to low-power microcontrollerssFLT:1, FLT:2STMicroelectronics S32L series ReviewFLT 3: ו-FLT:4Nordic Semiconductor של פתרונות אלחוטיים נמוכים של כוח אלחוטי:5L).