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IoTs向けにエネルギー効率のよいデータ変換世界記録

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March, 31, 2020, Twente--多くの微小な、自律的に作動するセンサで構成されているIoTの成功は、エネルギー消費に大きく依存している。物理的な信号をでデジタルデータに変換するために必要なエネルギーは、まだ下げられる。焦点は、アナログからデジタルへの実際の変換に向けられることがよくあるが、その前にエネルギー消費ステップが見過ごされていることが多い。トゥエンテ大学の研究者、Harijot Singh Bindra(集積回路グループ)は、両方を飛躍的に改善しようとした。結果は、トゥエンテ大学におけるエネルギー効率世界記録である。

近い将来、インターネットに接続された多くのセンサにわれわれが囲まれると、バッテリの置換えはわれわれが心配すべきことではない。魅力的なオプションの一つは、センサがそれ自身のエネルギーを、例えば光あるいは運動から取り込むことである。植物の健康モニタリングプロジェクト‘Plantenna’では、例えば、植物のエネルギーは、理想的には、センサを駆動するだけで充分である。これを成功させるには、個々の、またセンサノードの各ブロックエネルギー消費を最小化することが重要である。生理学的な信号を収集し、それをデジタル情報に変換することは、主要なエネルギー消費ステップの一つである。

バッテリは10年ごとに変わる
 これに関係するのは、実際のアナログとデジタルコンバータ(ADC)である。これは、Bindraが示しているように、まだ改善できる。しかし、それだけではない。実際のセンサとセンシング回路は、常に「オン」になっている。生理学的信号の変化を即座に検出するためである。この信号をADCに入れるにはエネルギーを必要とする。これは、ことわざにある「部屋にいる象」、見過ごされていて、ADCのパフォーマンスのベンチマーキングに構成されていない。Bindraは、両方のエネルギー消費削減に取り組み、変換ステップ当たりの統合エネルギー消費は、現在の標準よりも低く、変換ステップ当たり1ピコジュール以下である。これは、例えば、ボタン電池を使うなら、少なくとも10年は、交換なしで使用できることを意味する。

ステップバイステップ
 同氏が設計したADCは、「逐次比較」タイプである。これはすでに、ADCには最もエネルギー効率がよい選択と考えられているが、Binddraは、まだ改善の余地があることを証明した。このタイプのADCの基本的考えは、入力信号と、変化するレファランス電圧とを比較する、したがってステップバイステップで、物理的信号を表す正確なデジタル符号に進む。コンバータ全体として50~60%を消費するのはこの比較であるので、Bindraはそのパフォーマンスを改善した。各比較ステップは、一定の正確な水準で最小量のエネルギーを必要とする。このエネルギーは、各比較の終わりに失われ、次の比較ステップのために補充されなければならない。Bindraは、比較のためにこのエネルギーのほんの一部を利用することで、このエネルギー損失を減らそうとしている。このエネルギー損失は、比較ステップ後の電圧差に依存し、また容量値にも依存する。両方をスマートに調整することで、Bindraはコンパレータエネルギー消費を2.5倍減らそうとしている。

さらに、ADCを可能にするためには、センサから来る信号はまず、ADCの入力で「準備」されていなければならない。ほとんどの場合、相対的に大きなキャパシタは、そのために、信号の全範囲まで帯電されていなければならない。しかし、キャパシタ間のクレバーな切替えにより、入力信号レベルに依存して、変換のためのADC入力の物理的な信号「供給」に必要なエネルギーは、2~3倍下げられる。

コミュニケーション戦略
 ADCは、主要なエネルギー消費者、センサのワイヤレス通信システムの一部である。トゥエンテ大学がトリン組んでいるもう1つの戦略は、センサが実際に通信する方法。センサソフトウエアは、データを「ここで、今」送り出す必要があるかどうかを決定できる、あるいは隣接センサとスマートな方法で協働できるので、通信の必要性を低減できる。
(詳細は、https://www.utwente.nl/)