新型智能晶元：在電池沒電時仍可繼續工作！

導讀

近日，新加坡國立大學（NUS）工程師團隊開發出一種稱為「BATLESS」的創新型晶元。即使在電池電量耗盡時，該晶元仍然可以繼續工作。

背景

雖然物聯網目前仍處於初級階段，但它正對於我們日常生活以及許多行業的未來產生著重要的影響。從概念走向現實的過程中，物聯網設備遭遇到的關鍵挑戰之一，就是在嚴格受限的能源條件下進行長期持久的操作，這需要極高的功率效率。IoT 設備，比如感測器，通常會大規模部署在那些偏遠並難以定期服務的地方，所以讓它們的能量變得自給自足非常有必要。

目前，在IoT設備中，相比於電池為之提供電力的單個晶元，電池本身要大很多並且昂貴達三倍。電池的尺寸由感測器節點的續航時間決定，續航時間直接影響到電池多久需要充一次電。電池的尺寸，與它的維護成本以及被處理時對環境產生的影響都有著重要關係。為了延長總的續航時間，電池通常會從環境中採集一些有限的能量，緩慢地再次充電，例如採用太陽能。

無論如何，大多數現有的IoT設備還是無法離開電池來運行（雖然目前科學家們已經開發出一些旨在擺脫電池的自供電技術），並且小型電池完全放電更加頻繁。因此，電池小型化通常會使得IoT設備的工作經常間斷。因為每當電池電量耗盡時，IoT設備就要停止工作。

創新

（圖片來源：NUS）

為了填補這一技術鴻溝，新加坡國立大學（NUS）工程師團隊開發出一種稱為「BATLESS」的創新型晶元。即使在電池電量耗盡時，該晶元仍然可以繼續工作。BATLESS 具有一種新的電源管理技術，該技術讓它可無需任何其他電池的幫助，只採用位於晶元上的微型太陽能電池，就可以在微弱的光線下，自啟動並持續工作。

這項突破性研究發表於2018年在舊金山召開的國際固態電路會議（ISSCC）上，該會議是展示固態電路和系統級晶元科研進展的首要的全球性論壇。

技術

即使在電池電量耗盡時，「不在乎電池」（Battery indifference）的能力使得IoT設備仍可以持續運行。這種能力通過兩種工作模式來實現：最低能量和最低功率。當電池還有電時，晶元工作於最低能量模式下，使電池續航時間變得最長；當電池電量耗盡時，晶元切換至最低功率模式，運行時的功耗非常低，只有半納瓦。這種功耗約為智能手機通話時功耗的十億分之一。一個晶元上的微型（面積約為0.5平方毫米）太陽能電池，或者從環境中採集的能量（例如：振動或者熱量），都可以用於提供如此微小的能量。

晶元在最低能量和最低功率模式之間切換的能力，使得電池尺寸從幾厘米縮小至幾毫米。BATLESS 晶元開啟了一系列非凡的能力，不間斷地對興趣事件進行感知、處理、捕捉和打時戳，以及在電池再次變得有電時，將這些有價值的數據通過無線方式傳輸至雲端。

BATLESS 也配備了一種新型電源管理技術，可實現自啟動，同時直接由晶元上的微型太陽能電池供電，無需其他電池協助。團隊通過一個50勒克斯的室內光照強度進行了演示，這個光照強度相當於黃昏時的微弱光線，對應於納瓦級的功率。如此一來，BATLESS可以不在乎電池電量，從而解決了在無電池晶元中之前未得到解決的問題。

價值

這項突破性的研究充分減小了為IoT感測器節點供電的電池尺寸，使得它們縮小至十分之一且製造成本更低。除了在電池電量耗盡時，採用最小功率模式，減速的晶元還可應用於一些列物聯網場景，感知隨著時間變化緩慢的參數，例如：溫度、濕度、光線和壓力。此外，BATLESS 還具有其他的應用，例如智能建築、環境監測、能量管理以及讓生活空間滿足居住者的需求。

NUS 科研團隊的領導者，NUS 工學院電氣與計算機工程系副教授 Massimo
Alioto 表示：「BATLESS 是首個不在乎電池電量的新型晶元案例。在最低功率模式下，相比於為以固定最低能量運行而設計的現有最佳的微控制器，它使用的能量僅為十萬分之一到千分之一。同時，相比近期設計的以固定最低能量運行的其他微控制器，我們的16比特微控制器運行速度快十萬倍。總之，BATLESS 晶元涵蓋了非常廣泛的能量、功率和速度因素，因為兩種不同的模式帶來了靈活性。」

Massimo
Alioto 副教授還表示：「我們演示了用於IoT設備的電池可被充分縮小，因為保持連續工作時並不是總需要它們。在朝著無需電池的IoT感測器節點的最終版本目標邁進的過程中，解決這一根本性問題成為了一個重要進展，為打造一個具有數萬億IoT設備的世界鋪平了道路。」

未來

目前，NUS工程團隊正在開發新的方案，構建完全不在乎電池電量的系統，覆蓋從感測器到無線通信系統的整個信號鏈，在微控制器與電源管理方面繼續拓展目前的研究。

在完全無需電池的長期目標指引下，團隊開發出一種將電池縮小至毫米級的方案。它將成為朝著全球IoT願景邁出的重要一步，也將使得我們的星球變得更加綠色和智能。

（圖片來源於：維基百科）

關鍵字

物聯網、智能、晶元、能量、電池

參考資料

【1】http://news.nus.edu.sg/press-releases/BATLESS-smart-microchip

【2】Longyang Lin, Saurabh Jain, Massimo Alioto. A 595pW 14pJ/Cycle microcontroller with dual-mode standard cells and self-startup for battery-indifferent distributed sensing. Physical Review Letters, 2018; 120 (11) DOI: 10.1109/ISSCC.2018.8310175

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