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Milivatios con mega impacto
En el MTL A la izquierda, Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '09 y Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, analizan un chip microcontrolador de bajo consumo que opera en voltajes muy bajos. A la derecha, Patrick Mercier, SM '08, y Denis Daly, SM '05, PhD '09, prueban los voltajes de suministro de un chip que se utiliza para controlar el vuelo de una polilla.
Cuando Anantha Chandrakasan se levantó para dar su charla en la Conferencia Internacional de Circuitos de Estado Sólido de 1994, una multitud llenó rápidamente la sala y se desparramó por los pasillos. Docenas de personas no pudieron acercarse lo suficiente para escuchar. Así que los organizadores decidieron hacer algo que nunca antes habían hecho para una charla sobre nuevas investigaciones y que nunca habían hecho desde entonces: le pidieron a Chandrakasan, que entonces era estudiante de doctorado en UC Berkeley, que diera su presentación nuevamente, para que la multitud de las personas que se lo perdieron la primera vez pudieron escuchar lo que tenía que decir.
La charla de Chandrakasan fue sobre su trabajo en el diseño de un chip de bajo consumo, un enfoque radicalmente nuevo para el diseño de circuitos que provocaría una revolución en el campo. Dennis Buss '63, SM '65, EE '66, PhD '68, ahora científico jefe de Texas Instruments, quedó tan impresionado que se sentó durante la charla dos veces. En ese momento, los circuitos típicos usaban cien veces más energía que los diseños que presentaba Chandrakasan. Conmocionó a la industria, recuerda Buss.
Durante décadas, los dispositivos electrónicos se habían vuelto más rápidos y más pequeños a un ritmo vertiginoso. Cuanto más rápido llegaban, más potencia necesitaban. Pero la proliferación de dispositivos electrónicos portátiles como computadoras portátiles y teléfonos celulares, y la promesa de una nueva generación de pequeños dispositivos de monitoreo médico y ambiental, sugirió que la disminución del consumo de energía podría ofrecer enormes beneficios. Las tentadoras posibilidades incluían una mayor duración de la batería e incluso, en algunos casos, deshacerse de la batería por completo. No es de extrañar que la gente hiciera cola para escucharlo.
La revolución que Chandrakasan ayudó a lanzar a principios de la década de 1990 hizo que los fabricantes de chips pensaran de manera diferente. En lugar de centrarse exclusivamente en la velocidad del reloj del procesador, comenzaron a ver la eficiencia energética como un objetivo. Este cambio de punto de vista hizo posibles dispositivos como netbooks y teléfonos inteligentes. Ahora Chandrakasan, profesor de ingeniería eléctrica y director de Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT, está supervisando lo que espera sea una segunda revolución, una que recortará nuevamente el consumo de energía. Los dispositivos electrónicos que no necesitan baterías tradicionales en absoluto pueden estar por fin en el horizonte.
Lento pero poderoso
La histórica charla ISSCC de Chandrakasan fue la culminación del trabajo que comenzó en el verano de 1991, por iniciativa de su asesor de tesis, Robert Brodersen, SM ‘68, EE ‘68, PhD ‘72. Esa primavera, mientras escuchaba una discusión en otra gran conferencia sobre el consumo de energía en dispositivos portátiles como teléfonos celulares, Brodersen tuvo una epifanía. Me encantó, y dije, Dios mío, el poder es lo más crucial en lo que pensar, dice. Así que él, Chandrakasan y otro estudiante de posgrado, Samuel Sheng (ahora director técnico de Telegent Systems), comenzaron a reunirse varias veces a la semana para intercambiar ideas para reducir las necesidades de energía de los circuitos electrónicos. Esos tipos simplemente fueron tras esta cosa, recuerda Brodersen.
Además de pensar en cómo hacer que los circuitos usen menos energía, también consideraron las implicaciones de lograr ese objetivo. Se centraron en lo que se necesitaría para producir una capacidad de comunicación y computación multimedia completa en un dispositivo de entrada de lápiz pequeño, delgado y portátil que podría seguir funcionando durante horas solo con baterías. Profundamente, llamaron a su proyecto Infopad, casi dos décadas antes de que un dispositivo muy similar con un nombre muy similar estableciera récords históricos de ventas de un nuevo tipo de producto electrónico.
Cuando empezaron, no estaba nada claro que lo que intentaban fuera posible, y había muchos escépticos. Pocos más lo intentaban, explica Brodersen: El sentimiento básico en la industria en ese momento era que ya no había problemas de energía. Después de todo, una nueva generación de chips basada en la tecnología de semiconductores de óxido de metal complementario (CMOS) ya había producido una gran mejora en el consumo de energía. Los circuitos CMOS no consumían energía constantemente como lo hacían los circuitos anteriores, porque usaban energía solo mientras realizaban cálculos. La mayoría de la gente pensó que CMOS resolvió el problema, dice.
No Chandrakasan. Sabía que con estos dispositivos inalámbricos, la energía iba a ser un tema clave, dice.
Mientras intercambiaban ideas juntos ese verano, Brodersen, Chandrakasan y Sheng se dieron cuenta de que el tipo de eficiencia que estaban buscando iba a requerir algún tipo de cambio importante. Una posibilidad que consideraron fue una reducción drástica del voltaje operativo de los chips. Pero eso tenía sus propios problemas: tratar de reducir el voltaje degradó tanto el rendimiento que los chips rápidamente se volvieron inútiles, dice Brodersen. Necesitaban algo más.
Tablero de prueba para evaluar un chip recolector de energía.
Finalmente, dieron con la idea del paralelismo, y Chandrakasan hizo los cálculos y simulaciones que demostraron que funcionaría. Se podría hacer que los circuitos convencionales operaran a bajo voltaje si su velocidad también fuera muy baja. Se dieron cuenta de que hacer más cosas a la vez podría compensar la falta de velocidad para que se hiciera la misma cantidad de trabajo.
A finales de ese verano, habían solucionado el problema, al menos en principio. Publicaron un artículo en 1992 en el IEEE Revista de circuitos de estado sólido , la revista líder en el campo, que describe su visión de un chip de bajo consumo que compensaría la pérdida de velocidad a través de operaciones paralelas. El documento describía métodos para fabricar chips de computadora y otros circuitos integrados que pudieran operar con una fuente de energía de un voltio, en lugar de los cinco voltios que eran estándar en ese momento, algo que Chandrakasan dice que la gente no creía que fuera posible en ese momento. Como autor principal, Chandrakasan resumió lo que se convertiría en su trabajo de tesis doctoral. Más de una década después, ese informe sobre el proyecto de investigación de un estudiante siguió siendo el segundo artículo más citado en la historia de la revista.
Cuando Chandrakasan dio su charla en la conferencia ISSC en 1994, la visión se había convertido en realidad. Habiendo sentado las bases teóricas en el artículo anterior, demostró la producción de un conjunto funcional de seis chips que podía realizar todas las funciones de computación, audio y video necesarias para su prototipo de Infopad. Consumía solo cinco milivatios, aproximadamente una centésima parte de la energía que tenían los circuitos comparables en ese momento.
Sentado en su oficina en el MIT, Chandrakasan sonríe al recordar el momento en que todas las partes se unieron. Solo en su laboratorio de Berkeley en las primeras horas de la mañana, finalmente consiguió que el vídeo en movimiento comenzara a transmitirse al monitor desde su circuito de 1,1 voltios. Ese fue un gran momento, para ver el funcionamiento del sistema completo, dice. Fue muy emocionante. Pero no sintió que pudiera despertar a su profesor en medio de la noche; esperó hasta la mañana para llamar a Brodersen con la noticia.
Estos dispositivos electrónicos de bajo voltaje y baja potencia se han generalizado ahora, especialmente a medida que han proliferado las nuevas generaciones de dispositivos electrónicos más pequeños y potentes, como los teléfonos inteligentes. Los conceptos que la industria consideró radicales, innovadores y visionarios en 1994 son de uso común hoy en día, dice Buss.
Una idea toma vuelo
Después de recibir su doctorado en 1994, Chandrakasan llegó directamente al MIT, donde se convirtió en director del MTL en 2006. Inmediatamente se puso a trabajar para intentar fabricar productos electrónicos que pudieran prosperar con una fuente de alimentación aún más tacaña. En estos días, él y sus estudiantes están trabajando para conseguir chips que funcionen con 0,3 voltios. Los ex alumnos de MTL Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, y Daniel Finchelstein '05, PhD '09, ya han desarrollado un chip decodificador de video de alta definición de ultra baja potencia que funciona a 0,7 voltios. Los investigadores de MTL están tratando de reducir los requisitos de energía a un nivel tan bajo que la electrónica pueda funcionar, sin batería, con la energía desperdiciada extraída de pequeños movimientos o del calor corporal. Y están empezando a trabajar en formas de utilizar esos chips, un desafío que significa maximizar la eficiencia de todos los elementos de un sistema complejo y, simultáneamente, de las formas en que se vinculan entre sí. Tienes que mirar todo el sistema y asegurarte de que cada bloque sea de bajo consumo, dice el ex alumno de MTL Denis Daly, SM '05, PhD '09, que ahora trabaja para Cambridge Analog Technologies, una startup local compuesta principalmente por MIT ex alumnos y profesores. Tiene tan bajo poder como su eslabón más débil.
Cuando los científicos de MTL comenzaron a investigar cómo integrar componentes de baja potencia en sistemas completos, una polilla ayudó a señalar el camino. En 2006, los investigadores del MIT recibieron una subvención federal para desarrollar un sistema capaz de controlar el vuelo de una polilla viva u otro insecto como una pequeña plataforma potencialmente autosuficiente para recopilar información ambiental. Las polillas tienen habilidades de vuelo muy sofisticadas, explica Patrick Mercier, SM '08, candidato a doctorado en ingeniería eléctrica e informática, uno de los estudiantes del laboratorio de Chandrakasan que participó en el proyecto. Los dispositivos mecánicos ni siquiera se acercan a su eficiencia.
Rápidamente se hizo evidente que la electrónica necesaria para la tarea tendría que cumplir con límites abrumadores de tamaño, peso y consumo de energía. Entonces, el proyecto se dividió en componentes: comunicaciones, suministro de energía y sistemas de control. A lo largo de los años, más de una docena de estudiantes de varios grupos de investigación han colaborado en el proyecto, enfocándose en varios aspectos del sistema y conversando entre ellos para asegurarse de que todas sus partes encajen física y electrónicamente. Los colaboradores de MTL Mercier y Daly se centraron en los sistemas de transmisión y recepción de baja potencia necesarios para enviar comandos a la polilla.
Juntos, el equipo logró desarrollar un paquete que pesaba alrededor de un gramo, menos de la mitad que un centavo. Incluía los circuitos de control, la batería y el receptor de radio, todo montado en un arnés en miniatura que podía caber en el abdomen de un viernes manduca (una polilla de halcón) sin interferir con su vuelo. Se utilizaron pequeños cables para conectar el circuito al sistema nervioso del insecto, creando lo que Mercier denomina una polilla cyborg. (Los neurocientíficos de la Universidad de Arizona y la Universidad de Washington trabajaron con el equipo para desarrollar las interfaces con la polilla misma).
En el MTL Vivienne Sze, SM '06, PhD '10, Yogesh Ramadass, SM '06, PhD '09 y Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, discuten un chip microcontrolador de bajo consumo energético que funciona a voltajes muy bajos .
La clave del dispositivo de radio de potencia ultrabaja fue utilizar transmisiones de banda ultra ancha en ráfagas muy breves, muy diferente de las transmisiones de banda estrecha de larga duración utilizadas para los sistemas de radio convencionales, como las conexiones Bluetooth, que requieren hasta cien veces más potencia. . En promedio, todo el sistema usó menos de un milivatio.
Para 2009, el equipo había logrado el objetivo, produciendo un sistema completo en el que los componentes diminutos y complejos cumplían su función, trabajando juntos para dirigir el vuelo de la polilla y demostrando el potencial de sistemas muy pequeños y de muy baja potencia.
Daly imagina un día en el que sistemas aún más pequeños y de menor potencia basados en esta investigación podrían desplegarse en grandes enjambres. Podrían ser como motas de polvo que podrías distribuir sobre un gran bosque para detectar incendios, por ejemplo, dice.
Band-Aids Electrónicos
Mercier se sintió atraído inicialmente por el proyecto Moth porque vio un gran potencial para las aplicaciones de atención médica: sentó las bases para una generación completamente nueva de dispositivos pequeños, livianos y quizás incluso implantables para monitoreo, diagnóstico y tratamiento médicos. Chandrakasan y sus colegas de MTL imaginan curitas electrónicas autónomas, como las llaman, que incorporarán sensores, una batería, chips de computadora para analizar los datos del sensor y un transmisor y receptor de radio para comunicar los datos, todo empaquetado en un dispositivo lo suficientemente pequeño como para usarlo como parche cutáneo.
Estamos desarrollando monitores ambulatorios continuos, dice Mercier. Dichos dispositivos podrían usarse, por ejemplo, para observar la actividad cardíaca las 24 horas del día, los 7 días de la semana en pacientes con enfermedades cardíacas, permitiéndoles realizar sus actividades diarias con maquinaria sofisticada acoplada discretamente a su brazo o pecho. Queremos que alguien pueda usarlo y ni siquiera sepa que lo está usando, dice. Si el dispositivo incorpora tecnología GPS y de telefonía móvil, así como sensores, podría identificar la ubicación exacta de la persona y pedir ayuda automáticamente en caso de emergencia médica. Las tiritas electrónicas también podrían usarse para monitorear las ondas cerebrales en pacientes propensos a convulsiones, quizás detectando una convulsión inminente a tiempo para prevenirla: el dispositivo podría activar automáticamente un pulso en un electrodo implantado que interrumpiría el patrón de actividad cerebral.
La tecnología que se necesita para extraer información útil de los datos que recopilan dichos sensores es en lo que se centró Joyce Kwong, SM '06, PhD '10, que ahora trabaja en Texas Instruments, durante sus años en MTL. Ella construyó un chip que examina los datos del electroencefalograma (EEG) en busca de anomalías en la señal. Sus necesidades de energía son mínimas, en parte porque los módulos aceleradores separados alrededor del procesador principal descargan algunas tareas de procesamiento a circuitos dedicados más pequeños. Eso se traduce en una mayor duración de la batería, explica. En lugar de un par de horas, podría funcionar durante un par de días.
A corto plazo, los médicos podrían usar esta tecnología para monitorear a los pacientes después de que salgan del hospital. Pero los dispositivos de baja potencia podrían eventualmente usarse en áreas rurales y países pobres, donde los hospitales son pocos y el médico más cercano puede estar demasiado lejos para comunicarse con alguien en una crisis. Estos sistemas no requieren mucho mantenimiento por parte de un médico y están diseñados para que los use un paciente en casa, dice Kwong. Pueden incluir una radio en la curita, que envía información a través de un teléfono celular y luego se transmite a Internet. Los médicos que tienen la experiencia para interpretar los datos podrían analizarlos y hacer un diagnóstico, sin importar cuán lejos esté el paciente.
Kwong dice que el chip es realmente un procesador flexible que podría programarse para analizar diferentes tipos de datos fisiológicos. Y debido a que es pequeño y se basa en tecnología de fabricación estándar, podría fabricarse por unos centavos, dice Mercier: si los volúmenes son lo suficientemente grandes, los precios son muy baratos. Estos chips podrían eventualmente convertirse en sistemas de diagnóstico desechables, casi tan económicos como las tiritas regulares.
Y eso podría ser solo el comienzo. Mercier, quien ha estado trabajando en tales sistemas durante los últimos cinco años, habla sobre el potencial de varios dispositivos conectados a diferentes partes del cuerpo para monitorear una variedad de indicadores de salud a la vez. Luego, los datos se transmitirían en tiempo real a un procesador central para su análisis. El resultado sería lo que él llama una red de área corporal.
Patrick Mercier, SM '08, y Denis Daly, SM '05, PhD '09, prueban los voltajes de suministro de un chip utilizado para controlar el vuelo de una polilla.
Deshacerse de las baterías
Algunos de los chips prototipo que se están desarrollando en el MTL no son más grandes que una semilla de sésamo, tan pequeños que algún día podrían implantarse por completo en el cuerpo. En última instancia, esperan los investigadores, podrían funcionar completamente con energía extraída, sin necesidad de recargar nunca.
Yogesh Ramadass, SM ‘06, PhD ‘10, es uno de los varios estudiantes de MTL que han trabajado para aprovechar las gotas de energía que normalmente se desperdician. En la Noche de Energía de 2009 en el Museo del MIT, organizada por el Club de Energía del MIT dirigido por estudiantes, Ramadass mostró uno de los productos de su investigación. No fue difícil encontrarlo entre las docenas de stands y carteles que mostraban proyectos relacionados con la energía: durante la mayor parte de la noche, estuvo rodeado por una multitud de personas que miraban fijamente el extraño aparato que llevaba en el brazo.
Diseñado para extraer energía de la pequeña diferencia entre la temperatura de su piel y la temperatura del aire a su alrededor, el prototipo apenas era discreto: cerca de la curva de su brazo había un disipador de calor de aluminio brillante y puntiagudo, una especie de radiador que se disipa. calor al aire circundante. El disipador de calor dirigía el calor de su cuerpo a través de un recolector termoeléctrico conectado a un pequeño chip que había diseñado para hacer un uso inusualmente eficiente del efecto termoeléctrico exhibido por ciertos materiales semiconductores: cuando un lado está más caliente que el otro, el diferencial de temperatura genera una tensión eléctrica. La multitud fascinada lo acribilló con preguntas, especialmente sobre los posibles usos futuros de tal sistema. Los usos más intrigantes permanecen en el futuro: el prototipo produce muy poca electricidad para operar un teléfono celular, aunque genera suficiente para alimentar un reloj o una calculadora.
Ramadass, que ahora trabaja para Texas Instruments (que es uno de los principales patrocinadores de la investigación del grupo, junto con Intel y otros), siguió dos enfoques diferentes para la búsqueda de energía. Además de aprovechar las pequeñas diferencias de temperatura, también ha desarrollado dispositivos experimentales para aprovechar la energía de pequeños movimientos y vibraciones. Estos dispositivos utilizan materiales piezoeléctricos, que producen una corriente eléctrica en respuesta a la presión. En última instancia, dice, los pequeños dispositivos electrónicos podrían conectarse a sistemas que puedan absorber ambos tipos de energía para maximizar la energía disponible.
Aún quedan obstáculos por superar. Por un lado, los dispositivos piezoeléctricos que recolectan energía de los movimientos y vibraciones producen corriente alterna, mientras que los circuitos de estado sólido necesitan CC. Debido a que la cantidad de energía disponible es tan pequeña, explica Chandrakasan, los circuitos que convierten la corriente CA en CC deberán ser muy eficientes. Aprovechar la energía termoeléctrica también requiere pasos adicionales. El calor corporal puede producir alrededor de 50 milivoltios de voltaje de salida, dice. Eso simplemente no es suficiente para ejecutar circuitos lógicos. Se puede usar un amplificador de voltaje (transformador) para aumentar el voltaje, pero nuevamente, los circuitos que realizan la conversión deben ser lo suficientemente eficientes como para extraer energía útil de una pequeña fuente.
Mirando hacia el futuro
Al pensar en la medida en que el Infopad que imaginó en 1994 prefiguraba el iPad que los consumidores pueden comprar hoy, Chandrakasan se pregunta qué tipo de dispositivos estaremos mirando, usando y jugando en una década más o menos. Estoy pensando en cuáles serán los desafíos que tendremos en 2020, dice. Habrá funciones dramáticamente nuevas, como la fotografía computacional, la capacidad de manipular imágenes en tiempo real, y cosas como entradas de gestos y muchos tipos diferentes de interfaces de usuario. Minimizar el consumo de energía será lo que hará que estas funciones computacionalmente intensivas sean prácticas para muchas aplicaciones.
Chandrakasan también está pensando en dispositivos más pequeños, baratos y simples que podrían marcar la diferencia en muchas partes del mundo que carecen de acceso incluso a las comodidades modernas más básicas. En una nueva colaboración, él y Subra Suresh, ex decano de la Escuela de Ingeniería del MIT y nuevo director de la National Science Foundation, tienen como objetivo desarrollar un dispositivo diminuto de bajo consumo que pueda diagnosticar instantáneamente la malaria. Hoy en día, pocas clínicas rurales pueden realizar las pruebas de laboratorio en muestras de sangre necesarias para obtener resultados precisos.
La idea es tomar una gota de sangre y hacer un laboratorio de microfluidos en un chip para que no necesite un microscopio elegante, dice Chandrakasan. Todo se haría de forma electrónica: atraparías las células y medirías su actividad eléctrica. Todo el aparato, dice, tendría el tamaño de un sello postal.
La realización de esa posibilidad, por supuesto, aún quedan muchos años en el futuro. ¿Cómo se puede hacer un diagnóstico en un lugar alejado de las clínicas, en un pueblo? Chandrakasan se pregunta en voz alta. Pero espera ver que esta visión también se convierta en realidad. Dieciséis años después de su aparición pionera en la conferencia ISSC, ahora se desempeña como presidente de esa conferencia. Entonces, ya sea que los nuevos avances importantes en circuitos de baja potencia provengan de su propio laboratorio o de algún otro lugar, está en una posición ideal para verlos primero.