Batteriestrom lebenslang: Stromspar-CPU für Sensoren
Der Sensorprozessor Phoenix könnte sich aus einer Knopfzelle 263 Jahre lang versorgen.
Forscher des VLSI Design/Automation Lab an der University of Michigan haben einen Prozessor für mobile Sensoren entwickelt, der im Sleep-Modus mit 29,6 pW (Picowatt) auskommt. Wie wenig das ist, verdeutlichen die Wissenschaftler mit einem Zahlenspiel: Die in einer gewöhnlichen Knopfzelle für Armbanduhren gespeicherte Energie reicht aus, um den Phoenix-Prozesor 263 Jahre zu versorgen.
Bei ihrem Beispiel verraten die Wissenschaftler allerdings nicht, wie weit die Versorgungsspannung abgesenkt wurde. Im laufenden Betrieb liegt sie bei 0,5 Volt. Das sind rund 20 Prozent mehr als der Kern unbedingt braucht. Den Rest schlucken die auf extrem niedrige Leckströme getrimmten Power Gates, die Teile des Chips von der Versorgungsspannung abklemmen können. Hier liegt laut Phoenix-Entwickler Scott Hanson eine der Besonderheiten: Herkömmliche Power Gates sind auf möglichst geringe Widerstände und hohe Ströme ausgelegt. Das wiederum erkauft man mit großen Leckströmen. Ein Sensor befindet sich indes die meiste Zeit im Tiefschlaf. Man kann also eine höhere Betriebsspannung getrost in Kauf nehmen, wenn dafür die Leckströme sinken. Ein Musterchip wacht alle zehn Minuten für eine Zehntelsekunde auf, um Sensorwerte zu ermitteln, aufzubereiten und dann abzuspeichern.
Auch den auf dem Phoenix-Chip integrierten DRAM-Speicher hat das Team von Dennis Sylvester auf Stromsparen optimiert. Wie dies erfolgte, war bislang allerdings noch nicht zu erfahren. Ebenfalls zu niedrigen Leckströmen soll die betagte 180-nm-Fertigungstechnik beitragen. Zu Rechenleistung und Befehlssatz gab es bislang noch keine Details. Dafür zu den Abmessungen: Der quadratische Chip hat eine Kantenlänge von 0,915 mm – für einen Sensor-Prozessor erst einmal nichts Besonderes. Allerdings reicht ihm eine extrem winzige Batterie aus, sodass ein komplettes Sensorsystem in ein Volumen von 1 mm3 passt. Somit sei beispielsweise eine Implantation direkt in ein menschliches Auge möglich. Da die Sensoren über lange Zeit keinen Batteriewechsel brauchen, träumen die Forscher auch davon, sie in Beton zu mischen, um Lasten zu messen. Dafür wären allerdings auch Funkschnittstellen und weitere Energie nötig.
Wer nicht bis zur Vorstellung des Phoenix auf dem 2008 Symposium on VLSI Circuits warten will, findet bereits einige Details zu dem Chip im Annual Report 2007 des Center for Wireless Integrated MicroSystems (WIMS). (bbe)
