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Un procesador Picowatt
En poco tiempo, es posible que se implanten sensores en nuestros cuerpos para hacer cosas como medir los niveles de glucosa en sangre en los diabéticos o la presión retiniana en los pacientes con glaucoma. Pero para ser prácticos, ambos tendrán que ser muy pequeños, tan pequeños como un grano de arena, y usar baterías de larga duración de tamaño igualmente pequeño, una combinación que no está disponible comercialmente en la actualidad.
Pico power: Este pequeño procesador, llamado Phoenix, utiliza un 90 por ciento menos de energía que el chip más eficiente del mercado actual. Podría habilitar sensores médicos implantables alimentados por pequeñas baterías.
Ahora, investigadores de la Universidad de Michigan han fabricado un procesador que ocupa solo un milímetro cuadrado y cuyo consumo de energía es tan bajo que las baterías emergentes de película delgada del mismo tamaño podrían alimentarlo durante 10 años o más, dice David Blaauw , profesor de ingeniería eléctrica e informática en Michigan y uno de los investigadores principales del proyecto.
Pero cuando este procesador, apodado Phoenix, se combina con una batería, todo el paquete solo tendría un milímetro cúbico de volumen. A esta escala, dice Blaauw, podría ser factible construir el chip en una lente de contacto gruesa y usarlo para monitorear la presión en el ojo, lo que sería útil para la detección de glaucoma. También podría implantarse debajo de la piel para detectar los niveles de glucosa en el líquido subcutáneo. En términos más generales, este enfoque de bajo consumo de energía para el diseño del procesador podría usarse en sensores ambientales que monitorean la contaminación o sensores de salud estructural, por ejemplo.
El procesador utiliza sólo unos 30 picowatts (un picowatt es una millonésima parte de una millonésima parte de un vatio) de potencia cuando está inactivo. Cuando está activo, el procesador consume solo 2.8 picojulios de energía por ciclo de computación. Esa cantidad es aproximadamente una décima parte de la energía utilizada por los chips con mayor eficiencia energética del mercado, dice Jan Rabaey , profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de California, Berkeley, que no participó en la investigación.
La idea principal del equipo de Michigan fue diseñar un chip que funcione a un voltaje extremadamente bajo. Si bien los microprocesadores para computadoras personales pueden requerir dos voltios de electricidad por operación, el Phoenix solo necesita 500 milivoltios, o un 75 por ciento menos.
A este voltaje, partes del chip no funcionan bien, explica Blaauw, por lo que su equipo rediseñó la memoria del chip, que es más pequeña que la mayoría de la memoria del procesador, y su reloj interno para que pudiera funcionar con una entrada eléctrica mínima. El reloj del chip, el reloj que sincroniza las operaciones de procesamiento de números, se ha reducido a una velocidad extremadamente lenta de 100 kilohercios, a diferencia de las velocidades de gigahercios de las computadoras personales. Este enfoque tiene sentido para los sensores, dice Blaauw. Si quisiéramos monitorear la presión en el ojo… solo necesitamos tomar lecturas cada pocos minutos, dice.
Además, los investigadores prestaron mucha atención a la pérdida de energía que se produce mientras el chip está en modo de suspensión o no recopila o procesa datos. Los transistores de las computadoras más nuevas se fabrican mediante un proceso de 45 nanómetros en el que las características de un chip tienen un tamaño de 45 nanómetros. Si bien esto permite más transistores en un chip más pequeño, también da como resultado una fuga eléctrica, debido a la física de los materiales a esta escala. Blaauw y su equipo optaron por transistores más grandes fabricados con un proceso de 180 nanómetros, de una generación anterior de chips. Estos transistores están en un punto óptimo, dice Blaauw. Son lo suficientemente grandes como para tener una fuga mínima y, sin embargo, lo suficientemente pequeños para que los investigadores quepan un gran número en un chip de un milímetro cuadrado.
Para minimizar aún más las fugas, los investigadores agregaron transistores especiales que apagan completamente la fuente de alimentación de los transistores de procesamiento cuando el chip está en modo de espera. Este es un enfoque común, dice Blaauw, pero su equipo lo llevó al extremo y dedicó mucho más chip de lo habitual a estos transistores de activación de potencia. Si un diseñador [de chips] normal mirara esto, diría: 'Estás loco', dice Blaauw. Pero nos brinda la compensación de ahorro de energía que necesitamos. En resumen, los investigadores combinaron una serie de trucos ya existentes y los afinaron para lograr un bajo consumo de energía récord.
El equipo de Michigan, que también está dirigido por Dennis Sylvester , profesor de ingeniería eléctrica y ciencias de la computación, aún debe agregar una batería al Phoenix, y necesita desarrollar una forma para que los datos se descarguen del chip para su posterior análisis. Una vez hecho esto, los investigadores pueden trabajar en la integración total dentro de un sistema biológico, lo que podría llevar años.
Rabaey de Berkeley, que está escribiendo un libro sobre procesadores de bajo consumo, dice que el trabajo es significativo. Lo que me ha impresionado es que lo han llevado a cifras bastante extremas, dice. El consumo de energía es extremadamente bajo. Nadie más se ha acercado siquiera a esto. Rabaey señala que este procesador está diseñado para aplicaciones de sensores especiales y que no aparecerá en un teléfono celular en el corto plazo. Sin embargo, es un paso importante hacia la construcción de sensores médicos implantables cuyas baterías pueden durar años.
La idea de este chip de bajo voltaje no es nueva, dice Rabaey: se ha utilizado con éxito en la industria relojera durante décadas. Pero en los últimos años, el interés académico y de la industria en dicho diseño ha florecido a medida que los ingenieros están explorando usos más variados y ubicuos de los sensores, dispositivos que requieren trucos de ahorro de energía para ser prácticos.