DARPA研究出近零功率射頻芯片和傳感器

EE TIMES日前刊載Transworld Data公司總裁瑪麗·夏克利特(Mary E. Shacklett)的文章稱，以前一些戰(zhàn)場傳感器在部署幾個(gè)月(如果不是幾周的話)之后就沒電了，而現(xiàn)在更換紐扣電池之前，它們可以持續(xù)四年提供有價(jià)值的情報(bào)。這是美國國防部高級研究計(jì)劃局(DARPA)在2020年5月完成的近零功率射頻和傳感器操作(N-ZERO)項(xiàng)目中取得的引人注目的成果之一。

DARPA在2015年開始了這項(xiàng)計(jì)劃，目的是尋找解決物聯(lián)網(wǎng)電池壽命限制的方法，這樣傳感器就可以部署在戰(zhàn)場上，探測震動、光、聲音或其他戰(zhàn)場信號，而不需要頻繁更換。

DARPA表示，現(xiàn)在可以使用電池壽命得到延長的傳感器，這些傳感器只在被喚醒時(shí)才記錄觸發(fā)事件，比如聲音，或者定期(而不是連續(xù))監(jiān)測戰(zhàn)場或其他問題。

現(xiàn)在部隊(duì)無需冒險(xiǎn)進(jìn)入潛在的戰(zhàn)區(qū)就能收集情報(bào)。他們進(jìn)入危險(xiǎn)區(qū)域更換“電池失效”的傳感器的頻率將大大降低。

DARPA微系統(tǒng)技術(shù)辦公室的項(xiàng)目經(jīng)理本杰明·格里芬說:“N-ZERO計(jì)劃為由特定物理或無線電頻率(RF)簽名觸發(fā)的不插電無人值守系統(tǒng)建立了睡眠_(dá)持續(xù)警報(bào)感知能力。數(shù)年的傳感器壽命將使傳感技術(shù)在缺乏固定能源基礎(chǔ)設(shè)施的地區(qū)實(shí)現(xiàn)成本效益和安全部署?！?/p>

傳感器技術(shù)的改進(jìn)正在進(jìn)行中，傳感器能力可能會擴(kuò)大。格里芬認(rèn)為，射頻、聲學(xué)和紅外(IR)喚醒能力是N-ZERO項(xiàng)目開發(fā)的最成功的感應(yīng)系統(tǒng)。這些近零功率的傳感器發(fā)送無線電信號進(jìn)行通信(RF)，測量聲級(聲學(xué))，并檢測紅外(熱)輻射。

格里芬解釋說:“最讓我們高興的是表現(xiàn)最好的電池的耗電量，基于紐扣電池，電池壽命預(yù)計(jì)將從4周延長到4年?！?/p>

盡管取得了這些成功，在N-ZERO計(jì)劃中測試的傳感器的電池壽命仍然受到已確認(rèn)事件的處理和通信以及電池本身的自放電的限制。

一個(gè)積極的方向是超低功耗Arm處理器的開發(fā)。Arm M0N0處理器實(shí)現(xiàn)了10-nW待機(jī)功率和20-60 μW/MHz有源功率水平，具體取決于應(yīng)用。傳感器電源關(guān)斷允許用戶在只讀存儲器(ROM)中存儲信息，可訪問而不遭受從芯片外的非易失性存儲器恢復(fù)數(shù)據(jù)的功率損耗。

Arm芯片也有能力在一組電池上運(yùn)行幾十年，因?yàn)樗鼈兊暮碾娏糠浅５汀Ｏ啾戎?，傳統(tǒng)的紐扣電池在睡眠模式下可能有好幾年的使用壽命，但在這個(gè)時(shí)間長度之外它就不能正常工作了。

格里芬說:“這很重要，因?yàn)檐婈?duì)需要了解戰(zhàn)場上敵人的動向和變化。然而，過去由于傳感器持續(xù)耗電，它們經(jīng)常花時(shí)間處理無用的數(shù)據(jù)。這樣的電能消耗會縮短傳感器的電池壽命?！?/p>

DARPA表示，可以大幅延長電池壽命的低功耗處理能力，可以降低因電池電能耗盡而必須頻繁更換傳感器的成本。安全也得到了加強(qiáng)，因?yàn)檐娛氯藛T不再需要親自前往危險(xiǎn)地區(qū)更換已經(jīng)失效且需要更換的現(xiàn)場傳感器。

格里芬說:“一個(gè)實(shí)現(xiàn)的例子是，一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為關(guān)鍵字定位器，處理來自谷歌語音命令集的音頻文件，其功率水平可以在LR44紐扣電池供電下連續(xù)運(yùn)行200天。通過與DARPA的合作，Arm已經(jīng)向美國政府和政府承包商提供了1000份許可證，以允許在電力受限的環(huán)境下立即進(jìn)行處理?！?/p>

固態(tài)傳感器

與此同時(shí)，固態(tài)傳感器開始出現(xiàn)在國防市場上。這些傳感器不是最初的N-ZERO計(jì)劃的一部分，但它們正在國防部應(yīng)用場景中進(jìn)行測試。

Cymbet技術(shù)和客戶解決方案副總裁杰夫·薩瑟(Jeff Sather)說:“我們已經(jīng)與國防部和國防部分包商在低功耗傳感器領(lǐng)域進(jìn)行了合作?！盋ymbet是一家小型的固態(tài)電池生產(chǎn)商。杰夫說:“他們想要最小化傳感器組件，同時(shí)也能夠使用太陽能等替代電池充電資源。我們所做的是將微型固態(tài)電池和傳感器集成在一塊芯片上。使用固態(tài)電池，你不會有電池泄漏和火花或火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)，但這些集成的、固態(tài)電池、低功率傳感器的成本并不便宜。每個(gè)傳感器大約1美元，而使用傳統(tǒng)液體鋰電池的低功耗硬幣電池傳感器大約25美分?！?/p>

與固態(tài)電池技術(shù)集成的近零功率傳感器的價(jià)格可能會下降，這可能使固態(tài)傳感器成為下一個(gè)流行的低功率傳感器選擇，但目前DARPA的N-ZERO項(xiàng)目主要使用紐扣電池。

對存儲器的挑戰(zhàn)

美國國防部高級研究計(jì)劃局的N-ZERO計(jì)劃的結(jié)果正在擴(kuò)大到更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。

格里芬說:“預(yù)計(jì)N-ZERO最大的應(yīng)用案例將在物聯(lián)網(wǎng)中，其中傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗是該技術(shù)普及擴(kuò)張的技術(shù)挑戰(zhàn)之一?！?/p>

“在農(nóng)業(yè)和結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域，ARPA-E繼續(xù)在生物能源和農(nóng)業(yè)開放+傳感器群組下資助開發(fā)用于植物監(jiān)測的傳感器，”他補(bǔ)充說，“N-ZERO技術(shù)的其他過渡集中在機(jī)械系統(tǒng)的不受約束的健康監(jiān)測上?！?/p>

迄今為止，根據(jù)格里芬的說法，在N - ZERO范圍內(nèi)的大多數(shù)成功都是通過亞閾值電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的。成功的亞閾值方法將簽名數(shù)據(jù)存儲在ROM或易失性靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)中，因?yàn)檫@些技術(shù)對讀取能量的要求較低。ROM的使用限制了應(yīng)用程序，因?yàn)閮?nèi)存是在制造過程中設(shè)置的，不能被重新編程。由于SRAM易揮發(fā)，如果對IC的偏置電壓下降，它就會丟失數(shù)據(jù)。

在格里芬的“愿望清單”中，最重要的是一種低讀取能量、非易失性的內(nèi)存，這種內(nèi)存將使不插電系統(tǒng)能夠重新編程，同時(shí)使它們能夠強(qiáng)健地應(yīng)對電力損耗。

這個(gè)愿望與Sather的觀點(diǎn)相結(jié)合，即低功耗傳感器技術(shù)的下一個(gè)焦點(diǎn)很可能是在內(nèi)存領(lǐng)域。他說:“我們知道，這些設(shè)備的存儲容量需要增加，需要持續(xù)改進(jìn)?！?/p>