Wynalazek naukowców z AGH szansą na rewolucję w elektronice cyfrowej

Naukowcy z Katedry Elektroniki Wydziału Elektrotechniki, Automatyki, Informatyki i Elektroniki wiodą prym w liczbie zgłoszeń patentowych z dziedziny elektroniki w całym kraju. W ostatnich latach w tej katedrze opracowano szereg wynalazków dla nowej technologii konstruowania układów elektronicznych. Charakterystyczną ich cechą jest ultra niskie zużycie energii (nawet poniżej 1 mikrowata) oraz obniżone napięcie zasilające (nawet do 1V). Za wynalazek asynchronicznego przetwornika analogowo-cyfrowego typu Sigma-Delta dr inż. Dariusz Kościelnik i dr hab. inż. Marek Miśkowicz zostali nagrodzeni złotym medalem z wyróżnieniem jury na wystawie The World Exhibition of Invention, Research and Industrial Innovation INNOVA 2008 w Brukseli. Dodatkowo zdobyli I miejsce w małopolskiej edycji konkursu Krajowi Liderzy Innowacji 2008 w kategorii „Innowacyjny projekt" oraz nagrodą Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego „za międzynarodowe osiągnięcia wynalazcze". Warto również zaznaczyć, że za granicą badania nad technologią bezzegarowego przetwarzania sygnałów są prowadzone w kilku renomowanych centrach naukowych: Uniwersytet Columbia w Nowym Jorku, Uniwersytet Cornella, Uniwersytet Floryda oraz TIMA Laboratory w Grenoble.

 

Bezzegarowe, samotaktujące się układy

 

Układy elektryczne charakteryzujące się ultra niskim zużyciem energii uzyskano dzięki wyeliminowaniu z ich struktur tzw. zegara - elementu, pełniącego funkcję motoru napędzającego pracę systemów elektronicznych. Przetwarzanie bezzegarowe, zaproponowane przez naukowców z Katedry Elektroniki, to nowa technologia polegająca na tym, że układy „same się taktują". Zegar napędzający pracę klasycznych układów jest jednym z największych odbiorników energii. Gdy układ pracuje, sygnały wytwarzane przez zegar są wykorzystywane i niezbędne, ale kiedy układ pozostaje bezczynny, jego zegar nadal działa, generując mnóstwo niepotrzebnych wówczas impulsów i pobierając duże ilości prądu. Oznacza to, że zegary zużywają energię nawet w sytuacji gdy urządzenie nie wykonuje żadnych czynności. Dlatego też praca zegara jest jednym z głównych powodów ciągłego i intensywnego konsumowania energii przez urządzania elektroniczne. Wynalazek opracowany przez naszych naukowców ma zatem na celu - w pierwszej kolejności - usunięcie zegara ze struktury układów elektronicznych.

Jak zatem działają urządzenia bez napędu? Dla lepszego zobrazowania dr inż. Dariusz Kościelnik przywołuje analogię do przewracania klocków domina: - W miejsce zegara wprowadzono mechanizm tzw. „samotaktowania" pracy. Uruchomienie pierwszej operacji pociąga za sobą sekwencyjne wykonywanie następnych czynności. Po zakończeniu pracy układ ponownie zatrzymuje się i przestaje czerpać energię - mówią naukowcy. Brak zegara oznacza usunięcie elementu najbardziej energochłonnego. Jest to dosyć rewolucyjna zmiana, ponieważ od początku rozwoju elektroniki cyfrowej zegar był, i w dalszym ciągu jest, nieodzownym elementem zdecydowanej większości urządzeń.
Innym ważnym zagadnieniem jest sposób reprezentowania przetwarzanego sygnału. W klasycznych układach elektronicznych, w przetwornikach analogowo-cyfrowych, sygnał ma postać napięcia o odpowiedniej „wysokości" i w związku z tym mówi się, iż jest reprezentowany „pionowo". - Tymczasem, aby móc wytwarzać układy scalone o coraz większym stopniu integracji, zużywające jak najmniejsze ilości energii i zasilane coraz mniejszą liczbą łączonych szeregowo ogniw konieczne staje się zmniejszanie ich napięcia zasilającego - wyjaśnia dr inż. Dariusz Kościelnik - Zmniejszając napięcie zasilające np. z 5V do 1V, a zatem pięciokrotnie, zakres wielkości przetwarzanych sygnałów „pionowych" maleje z ok. 4,4V do ok. 0,4V, a więc aż jedenastokrotnie. Precyzyjne określanie „wysokości" przetwarzanego sygnału pionowego wymaga podzielenia tego malejącego zakresu na szereg przedziałów. Ich liczba musi być tym większa, a szerokość każdego tym mniejsza im większej dokładności wymagamy od danego urządzenia. Zmniejszanie napięcia zasilającego utrudnia zatem precyzyjne przetwarzanie sygnałów pionowych. Dlatego w naszym rozwiązaniu zastosowaliśmy reprezentowanie sygnału „w poziomie", czyli w dziedzinie czasu. Mówiąc wprost: im większy jest przetwarzany sygnał tym dłuższy jest reprezentujący go impuls.
Okazuje się, że podobną technikę od dawna stosuje sama natura. System nerwowy człowieka jest tak zorganizowany, iż informacje, np. o bólu czy odczuwanej temperaturze, nie są przekazywane w postaci „wysokości" generowanych impulsów, gdyż tę łatwo zakłócić, lecz odległości pomiędzy sąsiednimi impulsami. Im mocniejszy sygnał, tym generowanie impulsów staje się częstsze. Np. odczuwany ból jest tym silniejszy im częściej neuron wytwarza swoiste „kłujące szpilki".
Opracowana technika bezzegarowego przetwarzania sygnałów łączy w sobie: „samotaktowanie" układu, wyeliminowanie z jego struktury zegara oraz zastosowanie poziomego reprezentowania informacji - w postaci interwałów czasu. Te trzy elementy stanowią o innowacyjności rozwiązania i w rezultacie przyznaniu patentu przez urząd w Stanach Zjednoczonych.

 

Niekonwencjonalne źródła energii i zastosowanie

 

Ultra niski pobór energii oznacza wydłużenie czasu pracy układu zasilanego konwencjonalnym źródle energii lub możliwości wykorzystania innych, alternatywnych źródeł. Układy o tak małym zapotrzebowaniu energetycznym mogą być zasilane ciepłotą ciała, energią przepływającej krwi, siłami bezwładności powstającymi w wyniku ruchu organizmów, na których się znajdują, czy też reakcjami chemicznymi zachodzącymi w środowisku. W najnowszym numerze czasopisma naukowego „Applied Physics Letters" naukowcy z Uniwersytetu Michigan w USA opisują np. sposób pozyskiwania energii z drgań serca i jej zamianę na napięcie elektryczne. Wytworzona w ten sposób energia o mocy rzędu 10 mikrowatów może służyć m.in. do zasilania rozrusznika serca. Dzięki temu przestaje być konieczna wymiana baterii zasilającej, która odbywa się średnio co 5-10 lat.
Jak podkreśla dr hab. inż. Marek Miśkowicz - Poziom wynalazczy patentu nie leży w tym, iż wymyśliliśmy nowy sposób pozyskiwania energii, bo wymienione rozwiązania są już znane od dawna. Innowacyjność polega na tym, że układy wykorzystujące opracowaną technologię mogą być tak dalece energooszczędne, że do ich funkcjonowania wystarczy energia pozyskiwana ze środowiska czy „pulsująca" w człowieku.
Rozwiązanie zaproponowane przez naukowców z AGH jest uniwersalne. W związku z tym jego zastosowania również mogą być wszechstronne. Nic nie stoi na przeszkodzie żeby nową technologię stosować we wszelkiego rodzaju systemach elektronicznych. - Zaletą opracowanych rozwiązań jest z jednej strony możliwość stosowania bardzo niskiego napięcia zasilającego, a z drugiej radykalne ograniczenie zużycia energii, dlatego warto wykorzystać je przede wszystkim tam, gdzie niewielkie zasoby energii są krytycznym ograniczaniem dla długotrwałego funkcjonowania układów - podkreślają twórcy. Technologia przeznaczona jest m.in. do użycia w systemach inteligentnych czujników zasilanych bateryjnie, komunikujących się ze sobą bezprzewodowo i tworzących sieci biomedyczne, monitorujące stan zdrowia pacjenta. - Innym przykładem mogą być mikroukłady, stosowane w protezach i implantach instalowanych wewnątrz ciała pacjenta, gdzie nie ma możliwości bezinwazyjnej wymiany baterii zasilającej te urządzenia. Technika przetwarzania bezzegarowego może znaleźć zastosowanie także w sieciach czujników monitorujących stan środowiska naturalnego. Krótko mówiąc wszędzie tam, gdzie wymiana czy doładowanie baterii jest utrudnione - wyliczają autorzy rozwiązania. Technologia i układy, nad którymi pracują naukowcy nadaje się także doskonale do stosowania w zasilanych bateryjnie urządzeniach powszechnego użytku, takich jak np. telefony komórkowe oraz inne urządzenia kieszonkowe.

 

Transfer technologii

 

W Polsce nie produkuje się układów scalonych na wymaganym poziomie zaawansowania technologicznego, dlatego wytwarzanie odpowiednich podzespołów jest możliwe tylko za granicą np. przez wiodące firmy z Doliny Krzemowej w USA. - Gotowe układy i wykorzystujące je systemy z pewnością trafią ostatecznie także i do Polski, jako urządzenia medyczne lub aplikacje monitorujące środowisko. Jednak sama produkcja podzespołów to zadanie dla firm wyspecjalizowanych w wytwarzaniu zaawansowanych układów scalonych.
Warto podkreślić, że do chwili obecnej autorzy wynalazku zgłosili kilkanaście następnych wniosków patentowych, w tym niemal dziesięć w Stanach Zjednoczonych i Europie. Opracowania czekające na wydanie patentów są kolejnymi, jeszcze bardziej zaawansowanymi technicznie rozwiązaniami, uzupełniającymi i poprawiającymi właściwości tego, któremu patent został już przyznany. Wszystkie zgłoszenia dotyczą technologii asynchronicznego, czyli bezzegarowego, samotaktującego przetwarzania sygnałów.

 

Tekst: Anna Żmuda, Zdjęcia: Zbigniew Sulima