L’elettronica diventa invisibile

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Processori ad altissime prestazioni incapsulati in package di pochi millimetri quadri, interi sottosistemi di comunicazione wireless incapsulati in moduli di dimensioni millimetriche sono le premesse tecnologiche di un’emergente generazione di dispositivi elettronici che per dimensioni e consumo energetico possono essere integrati fino a scomparire nei sistemi fisici (ambiente o persone) cui sono destinati.


 

Disappearing electronics

Il primo esempio di processore di dimensioni millimetriche è venuto da Freescale (ora NXP Semiconductor), con la chip-scale Mcu Kinetis KL02, un processore Arm Cortex M0+ a 48 MHz in singolo package di 20 pin WLCSP di 1.99 mm x 1.94 mm e 0.4 mm di spessore. Al KL02 è subito seguito il KL03 che integra un Arm cortex M0+ in un package WLCSP di 1.6 mm x 2.0 mm e 0.4 mm di spessore, quindi ulteriormente più piccolo del KL02, evidenziando in tal modo la rapidità di sviluppo della tecnologia di integrazione nella direzione della riduzione delle dimensioni. KL02 e KL03 sono due esempi emblematici del trend tecnologico che sta portando verso il fenomeno del disappearing electronics. Ovviamente disporre di un processore in un package di dimensioni millimetriche non è sufficiente per realizzare applicazioni significative di disappearing electronics, in quanto ci sono altre problematiche al contorno che implicano una riduzione significativa delle dimensioni, per esempio l’alimentazione e la comunicazione verso il mondo esterno.

Anche in questa direzione, importanti novità sono state recentemente presentate, per esempio il chip ZL70550 di Microsemi, un ultra low-power sub GHZ transceiver Rf integrato in un package Csp di solo 2 x 3 mm e caratterizzato da consumi di corrente ultra bassi, 2,4 mA in ricezione e 2,75 mA in trasmissione, e solo 10 nA in modalità sleep pur dimostrando una sensibilità in ricezione massima di -106 dBm. Questo chip opera in bande con sensibilità di ben -95 dBm. Inoltre integra protocolli di comunicazione come Z-star, il quale consente di eseguire in maniera efficiente la trasmissione dati a pacchetto con ritrasmissione automatica dei pacchetti marcati per errore di trasmissione. Grazie a un development kit ZL70550 Wsn Evaluation kit è possibile prototipare in maniera rapida un sistema ultraembedded di natura wireless con caratterizzazione di elettronica invisibile e a bassissimo consumo. Il kit si compone di un sensor node una piccola scheda che monta un chip ZL70550, un accelerometro, un’antenna dual band e un microcontrollore che esegue il protocollo Z-star e una piccola scheda Usb Hub con il chip ZL70550, l’antenna dual band e l’interfaccia Usb per monitorare da Pc l’attività del nodo sensoriale. L’alimentazione avviene tramite una batteria a bottone CR 1632. Il kit rende disponibile sia l’hardware che il software per la realizzazione di un sistema di comunicazione end-to end basato sul millimetrico transceiver Rf ZL70550 per applicazioni ultra low-power e ultra low-size.

 

Disappearing communication

Il Gsm/Gprs è uno standard di comunicazione mobile molto popolare che oltre alla voce supporta applicazioni di comunicazione dati a pacchetto a basso data rate. L’Integrazione di questa tecnologia di comunicazione nelle applicazioni embedded è stata problematica fino ad ora per motivi di dimensioni ed energetici. La recente introduzione da parte di ublox di un modulo Gsm/Gprs 2,5G di ridottissime dimensioni 16 x 26 x 2,4 mm di spessore e bassissimo consumo 0,9 mA di consumo in stand-by soddisfa la crescente esigenza di integrare nelle applicazioni embedded la funzionalità Gprs. Il kit di valutazione EVK-G3x consente di prototipare in maniera rapida applicazioni embedded che utilizzano la tecnologia di comunicazione Gsm e di posizionamento Gnss. Il kit è molto pratico in quanto in un contesto orientato all’integrazione, rende disponibili i componenti necessari alla prototipazione della funzionalità Gsm/Gnss integrata nel modulo ublox Sara G 350 Gsm/Gprs Quad Band e ublox Sara G310. La connettività host è via Usb, I2C ed RS232.

 

Disappearing battery

La miniaturizzazione millimetrica di importanti funzionalità di sistema come per esempio la comunicazione, o il computing, apre un’altra sfida impegnativa; l’alimentazione non invasiva dei sistemi ultra-embedded che scompaiono nel contesto applicativo. Questa sfida è in atto e si basa su due strategie tecnologiche, l’harvesting e l’elettronica ultra low power. L’elettronica invisibile non è tale solo per le dimensioni, ma anche per la natura funzionale. L’alimentazione è una componente funzionale, che impedisce al sistema embedded di essere invisibile, in quanto le operazioni di ricarica o di sostituzione della batteria sono operazioni invasive. L’harvesting è una tecnologia di cattura e messa a disposizione dell’energia presente in varie forme nell’ambiente o nel sistema oggetto dell’applicazione: per esempio tipica energia dell’ambiente è quella della luce oppure quella elettromagnetica, tipica energia del sistema oggetto dell’applicazione è quella cinetica, vibrazioni e rumore acustico lo sono nelle automobili, la termica corporea negli esseri viventi. In genere le quantità di potenza catturabili e disponibili in modalità harvesting sono piccole, quindi per vincere questa battaglia è in atto una strategia congiunta tra chi studia e sviluppa tecnologie efficaci di harvesting e chi sviluppa dispositivi elettronici ultra low power. Per esempio Ambiq Micro e Silicium Energy hanno sviluppato un progetto di riferimento di energy harvesting basato sulle soluzioni ultra low power di Ambiq Micro in tecnologia Spot, e sulle soluzioni di body thermal energy harvesting di Silicium Energy, ovvero termoelettronica basata sul calore del corpo capace da 100 µW a 10 mW di potenza generabile dal calore corporeo con uno spessore inferiore al millimetro e flessibile. A sua volta Ambiq Micro ha sviluppato la Mcu Apollo ultra low power (meno di 35 µA/MHZ eseguendo da Flash alimentata a 3,3 V) basata sull’architettura Arm Cortex M4 ultra low power (meno di 35 µA/MHZ eseguendo da Flash e alimentata a 3,3 V). Per ottenere questo risultato Ambiq Micro utilizza il principio della riduzione della tensione operativa basato sulla considerazione che esiste una relazione quadratica tra la tensione operativa e il consumo di potenza (P = CV2f) f è la frequenza di commutazione e C la capacità del circuito la riduzione della tensione operativa consente di ottenere elevati livelli di riduzione del consumo di potenza. Ambiq Micro ha sviluppato la tecnologia Spot (Sub-threshold power optimised) per ridurre il consumo di potenza nei microcontrollori abbassando la tensione operativa al di sotto di quella richiesta dalla logica standard.

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