Đại học Tohoku và Tập đoàn NEC vừa phát triển một Khối vi xử lý (MCU) dành cho các cảm biến không dây sử dụng công nghệ mạch tích hợp logic dựa trên điện tử học spin (spintronics).
Các thử nghiệm bước đầu cho thấy mức độ tiêu thụ năng lượng của MCU mới đã được giảm xuống chỉ còn 1/80 so với các hệ thống thông thường. Kết quả là tuổi thọ pin của các cảm biến được trang bị cùng với MCU mới này có thể kéo dài ra thêm 10 lần so với trước đây.
Hiện nay sự kỳ vọng đang tăng lên đối với các công nghệ giúp phân tích một lượng lớn dữ liệu thu thập từ nhiều hệ thống cảm biến, nhằm xác định tình trạng hiện tại, ví dụ như lỗi hệ thống hoặc hư hỏng thiết bị... và việc sử dụng các dữ liệu thu thập được để dự đoán các tình trạng trong tương lai.
Hoạt động bảo dưỡng cơ sở hạ tầng xã hội như các cây cầu và các hầm ngầm, cần tới nhiều cảm biến không dây có hiệu suất hoạt động cao, có khả năng hoạt động ổn định kéo dài, để thường xuyên thu thập và chuyển tải dữ liệu liên quan tới tình trạng của công trình.
Tuy nhiên khi tăng cường hiệu suất hoạt động của MCU và qua đó nâng cao hiệu suất của cảm biến không dây, tiêu thụ năng lượng lại trở thành một thách thức lớn. Vì thế Đại học Tohoku và NEC đã hợp tác phát triển công nghệ MCU mới giúp giảm đáng kể hoạt động tiêu thụ năng lượng của một MCU hiệu suất cao.
Một MCU hiệu suất cao thường dùng rất nhiều năng lượng, nhưng công nghệ mới này giúp giảm năng lượng tiêu thụ khi MCU ở trong trạng thái chờ (standby) thông qua việc khiến cho các mạch logic và bộ nhớ nằm trong MCU có khả năng lưu dữ liệu ngay cả khi không có điện. Việc này khiến MCU vừa có hiệu suất cao vừa giảm lượng tiêu thụ điện. Lắp MCU này vào một cảm biến không dây sẽ cho phép hoạt động xử lý dữ liệu cao hơn trong khi vẫn giảm đáng kể lượng tiêu thụ năng lượng.
Các đặc điểm chủ yếu của công nghệ này gồm:
- Sử dụng các thành phần điện tử học spin để đạt được khả năng kiểm soát năng lượng tốc độ cao, trong khi giảm năng lượng tiêu thụ khi ở trong trạng thái chờ. Các thành phần điện tử học spin nằm trong nhiều mạch kiểm soát năng lượng và các khối đa chức năng thuộc mạch logic sẽ cho phép kiểm soát năng lượng tốc độ cao, trong khi giảm thiểu năng lượng chờ.
Xét bối cảnh năng lượng của một khối chức năng cần thiết có thể được bật lên rất nhanh, trong xấp xỉ 120 nano giây, năng lượng có thể được bật và tắt đi nhiều lần, qua đó giúp giảm hoạt động tiêu thụ năng lượng không cần thiết.
- Giảm năng lượng khi ghi dữ liệu:Bộ vi xử lý mới mang tới khả năng kiểm soát hiệu quả hơn, thông qua việc hủy bỏ tiến trình ghi đè, nếu phát hiện hệ thống đang ghi dữ liệu mới giống dữ liệu cũ, qua đó giảm thiểu hoạt động tiêu thụ năng lượng do tiến hành ghi dữ liệu không cần thiết.
Một đơn vị vi điều khiển thử nghiệm trang bị công nghệ này đã được chế tạo và được lắp trong một cảm biến không dây thử nghiệm. Hoạt động thử nghiệm cho thấy thiết bị giảm tiêu thụ năng lượng xuống còn 1/80 so với các hệ thống thông thường.
Các kết quả này sẽ giúp tạo ra một loại cảm biến không dây mới vừa có hiệu suất cao hơn, vừa tiêu thụ ít năng lượng hơn, giảm tần suất bảo trì và giúp thu lại lượng dữ liệu lớn do sử dụng các cảm biến hiện đại.
Hoạt động phát triển công nghệ này là một phần trong sự đầu tư của NEC vào chương trình "Solutions for Society" giúp mang tới hệ thống cơ sở hạ tầng hiện đại dựa trên công nghệ thông tin.
Đại học Tohoku và NEC đã phát triển nhiều mạch tích hợp ứng dụng công nghệ mạch tích hợp logic điện tử học spin. Thông qua việc phát triển và trình diễn công nghệ này, Đại học Tohoku và NEC đã đạt mục tiêu giảm chỉ số hiệu quả năng lượng của nhiều dạng công nghệ truyền tải dữ liệu LSI xuống 1/64 hoặc ít hơn.
Đại học Tohoku và NEC đã thông báo các kết quả này trong Hội thảo các mạch thể rắn quốc tế (ISSCC) 2014. Đây là một buổi hội thảo quốc tế về công nghệ mạch bán dẫn, được tổ chức từ ngày 9/2 tới 13/2 ở San Francisco, California./.
