Piattaforme hardware per apparecchi acustici

Quando bisogna delineare una strategia per lo sviluppo di prodotti in silicio, poche sono le applicazioni che pongono una sfida così impegnativa come quella presentata dai moderni apparecchi acustici. Così come avviene per i dispositivi portatili di largo consumo, come gli smartphone, c’è infatti, una spinta costante a migliorarne l’efficienza energetica e le prestazioni, riducendo al contempo le dimensioni del sistema nel suo complesso. Nel seguito dell’articolo si esaminano le principali scelte a cui si trova di fronte ogni progettista in procinto di realizzare un qualsiasi circuito integrato all’interno di una piattaforma hardware destinata ad un apparecchio acustico. Un apparecchio acustico funziona sostanzialmente così: per prima cosa, le onde sonore vengono ricevute da un microfono e poi trasformate in un segnale elettrico. Un apposito convertitore converte questo segnale analogico in un formato digitale. Al segnale digitalizzato vengono quindi applicati opportuni algoritmi di elaborazione e vengono amplificate alcune specifiche frequenze, mentre il rumore di ritorno e quello di fondo vengono rimossi. I dati digitali sono successivamente riconvertiti in analogico. Infine il segnale attraversa il ricevitore dove ritorna ad essere, ancora una volta, un’onda sonora. Attraverso al circuito integrato che è incorporato nella piattaforma hardware di un apparecchio acustico, il suono captato viene amplificato e manipolato. In progetti più sofisticati, lo stesso circuito può addirittura fornire funzioni di interfaccia utente e supportare la comunicazione senza fili (wireless). In alcuni casi, bastano un microprocessore ed un circuito integrato con memoria non volatile; in altri casi, invece, può essere necessario impiegare una serie di circuiti integrati (un ricetrasmettitore radio, un regolatore di tensione, uno stadio di ingresso analogico e diversi sensori). Bisogna, inoltre, definire anche tutti i componenti discreti (condensatori e dispositivi di protezione dei circuiti), così come i microfoni, i ricevitori, le antenne e le bobine “telefoniche” interne alla protesi, le cosiddette telecoil (da Telephone Coil).

L’innovazione negli apparecchi acustici
L’innovazione nella progettazione degli apparecchi acustici sta ora riducendo l’impatto visivo di queste protesi, grazie a nuovi modelli in uscita sul mercato che sono posizionati più in profondità all’interno del canale auricolare. I dispositivi retroauricolari (BTE: Behind-The-Ear) stanno per essere gradatamente soppiantati dai prodotti pretimpanici (CIC: Completely-In-Canal) e da quelli invisibili intracanalari (IIC: Invisible-In-Canal). Questo tipo di evoluzione richiede, ovviamente, una più spinta miniaturizzazione dei sistemi. Una delle conseguenze connaturate all’utilizzo di algoritmi più complessi è il fatto che i requisiti degli apparecchi acustici in termini di risorse per l’elaborazione e di capacità di memoria aumentano significativamente. Allo stesso tempo, gli utenti desiderano collegare in modo semplice gli smartphone e altri apparecchi elettronici senza dover utilizzare dispositivi intermedi per il collegamento. La possibilità di aggiornare il dispositivo in campo, inoltre, sta diventando una caratteristica sempre più appetibile anche per i produttori degli apparecchi acustici, allo scopo di poter aggiornare le funzionalità del prodotto anche dopo l’acquisto iniziale. Il progressivo diffondersi di prodotti a basso costo per l’amplificazione del suono a utilizzo personale sfuma i confini tra i dispositivi destinati a compensare deficit uditivi e quelli finalizzati all’amplificazione dei suoni ambientali. Tutti i fattori menzionati condizionano pesantemente i progettisti nel momento in cui devono prendere delle decisioni sulla piattaforma hardware che andranno a realizzare. Tre sono le principali dinamiche che entrano in gioco quando si realizza una piattaforma hardware e i progettisti devono fare del loro meglio per affrontarle tutte. Esse sono:
- Raggiungere un livello di prestazioni elevato, per garantire sia un’ottima qualità del suono, sia l’intelligibilità del parlato
- Mantenere il più basso possibile il consumo di potenza, in modo tale che la durata della pila di alimentazione non venga abbreviata dall’elevato livello delle funzionalità incorporate
- Minimizzare la dimensione fisica, mantenendo il più ridotto possibile lo spazio che, sulla scheda, è occupato dai suoi elementi costituenti.
Ogni decisione relativa a uno qualsiasi dei suddetti aspetti finisce spesso per influenzare gli altri e così, in realtà, si rende necessario qualche compromesso.

Differenze architetturali
L’architettura di elaborazione dei segnali digitali risulta chiaramente essenziale per garantire che un apparecchio acustico venga progettato in modo efficiente. I produttori dei dispositivi possono scegliere fra una serie di architetture alternative. Un estremo del ventaglio di possibilità è rappresentato dall’approccio chiuso a funzione fissa, mentre, al capo opposto, troviamo l’approccio generico a programmazione aperta e, tra queste due filosofie, si apre una gamma di possibili architetture che presentano differenti combinazioni di entrambi. Esistono vantaggi e svantaggi sia per l’architettura a programmazione aperta, sia per quella chiusa. Utilizzando un’architettura chiusa, lo schema di elaborazione del segnale viene cablato direttamente a livello circuitale all’interno del chip dello stesso processore, con il vantaggio che il bilancio di potenza e l’area utilizzata del circuito stampato sono entrambi relativamente ridotti, a scapito, però, della flessibilità del sistema. Mentre alcuni parametri sono, infatti, regolabili, le funzioni di base del chip non possono essere modificate senza un pesante investimento in termini di tempo e di denaro per una riprogettazione completa. Per contro, più un’architettura è “aperta” e maggiore risulta la flessibilità del software con cui un produttore ha a che fare. Con le architetture a programmazione aperta, gli algoritmi di elaborazione del segnale possono essere modificati. Un’architettura di questo tipo, infatti, è in grado di supportare un’ampia serie di possibili elaborazioni del segnale (suoni, immagini e dati provenienti da sensori) nell’ambito di diverse applicazioni. Questa accresciuta flessibilità comporta, però, un aumento nelle dimensioni e nel consumo di potenza, aspetti che rendono le architetture a programmazione aperta lontane dall’essere ideali per i moderni apparecchi acustici. Un’architettura semi-programmabile può, in parte, eliminare gli svantaggi intrinseci dell’approccio chiuso, consentendo un certo livello di programmabilità. Le principali funzioni di elaborazione del segnale sono cablate in appositi blocchi logici, i quali vengono completati da un processore Dsp programmabile, che consente di gestire via software funzioni aggiuntive di elaborazione del segnale. Se da un lato si guadagna qualcosa in flessibilità, dall’altro le architetture semi-programmabili devono comunque rinunciare a una certa efficienza nel consumo di potenza. Un approccio ancora differente è rappresentato dall’architettura a programmazione aperta e ad applicazione specifica. Essa è ottimizzata per soddisfare le esigenze di elaborazione del segnale per un’applicazione molto specifica, mantenendo, allo stesso tempo, quella flessibilità software che solo un’architettura aperta può permettere. Pur se energeticamente meno efficiente rispetto alle architetture chiuse, la maggior parte delle limitazioni di questo approccio in termini di efficienza possono essere superate da una progettazione del chip ben organizzata e da una tecnologia di processo adeguata. Una volta che l’architettura del processore di segnali digitali è stata stabilita, il problema successivo da affrontare è come partizionare il circuito. I progettisti devono valutare quali componenti/blocchi funzionali vanno uniti e integrati in un singolo chip, assemblati insieme in un unico package o restare discreti. La flessibilità rimane la caratteristica di primaria importanza quando vengono prese decisioni relative al partizionamento - ad esempio, se i vari blocchi sono integrati come un unico sistema su di un singolo dispositivo integrato SoC, allora si risparmia spazio prezioso! Tuttavia, viene meno la possibilità di modificare uno qualsiasi dei blocchi funzionali in questione e, se si rende necessario apportare dei cambiamenti, l’intero chip deve essere riprogettato, operazione, questa, che può rivelarsi costosa in termini sia di tempo che economici. Ad esempio, è difficile predire quali standard di comunicazione wireless stanno per affermarsi e quando. Se, quindi, la funzione di comunicazione wireless viene integrata direttamente nel chip, il sistema risulterà vincolato allo specifico standard scelto inizialmente fino al momento in cui quel chip verrà utilizzato. Alcuni blocchi contengono funzionalità ormai mature e stabili e risultano, pertanto, fortemente idonei ad essere integrati. Altri, invece, come quelli che realizzano appunto la comunicazione senza fili, possono cambiare a seconda della tecnologia adottata. In questi casi, è consigliabile utilizzare un chip separato. Un altro elemento chiave della piattaforma hardware è costituito dal processo di fabbricazione dei dispositivi a semiconduttore su cui si basano i circuiti integrati che ne sono parte. La richiesta, da parte degli utenti, di circuiti integrati più piccoli, più veloci, meno costosi, più affidabili e caratterizzati da un minor consumo di potenza sta spingendo lo sviluppo di nuovi strumenti e nuove tecnologie a semiconduttore. Nel caso specifico delle piattaforme hardware per gli apparecchi acustici, la crescente complessità degli algoritmi di elaborazione del segnale sta portando alla necessità di avere una capacità di calcolo più elevata. Il graduale passaggio verso nodi di processo con geometrie più piccole non solo permetterà di soddisfare tale esigenza, ma contribuirà, allo stesso tempo, a rispondere alle richieste relative al consumo di potenza ed al formato del contenitore. Questo vantaggio andrà però soppesato ponderato con il fatto che quando si variano le geometrie di processo, la complessità di progetto e di produzione aumentano in modo significativo, così come i costi dell’investimento. Le piattaforme per gli apparecchi acustici si basano attualmente su nuclei di elaborazione a multiprocessore, soluzione che consente di incrementare le prestazioni e ridurre, al contempo, il consumo di potenza. I core proprietari sviluppati ad hoc offrono, indubbi vantaggi nelle dimensioni e nell’efficienza energetica, ma tali benefici stanno diventando sempre meno evidenti a mano a mano che l’industria migra verso tecnologie di processo di nuova generazione. I nuclei di elaborazione standard che offrono una certa flessibilità di programmazione hanno ormai raggiunto un livello tale da poter lavorare in tandem con core specializzati per determinate funzioni di processo, ottimizzando, così, il consumo complessivo di potenza. L’impiego di nuclei di elaborazione standard non solo accorcia i tempi di sviluppo, ma riduce anche i potenziali rischi tecnici. Grazie all’utilizzo di core standard, infatti, è possibile allocare le risorse di progetto su altre aree di sviluppo dove, invece, una differenziazione rispetto allo standard risulterebbe evidente e poterebbe ad un chiaro valore aggiunto.

Integrazione a livello di sistema
Anche l’integrazione a livello di sistema richiede grande attenzione. Così come quella dei circuiti integrati, anche la progettazione elettro-acustica e la progettazione meccanica sono di notevole importanza nella realizzazione di apparecchi acustici. Componenti elettro-acustici e trasduttori (microfoni e ricevitori) devono lottare contro la medesima spinta verso la miniaturizzazione alla quale sono sottoposti i circuiti integrati – garantendo un alto grado di affidabilità e solide prestazioni operative al continuo ridursi delle loro dimensioni. Riuscire a specificare i trasduttori più adatti alla progettazione e definire il loro posizionamento ottimale all’interno dell’involucro che contiene l’intera struttura aiuterà ad eliminare la perdita di suono e le vibrazioni che potrebbero influire sulla qualità del sistema sonoro. Infine, la possibilità di impilare i chip sta consentendo di realizzare il collegamento fra la sottile piastra di materiale semiconduttore e i componenti passivi all’interno dello stesso contenitore, ottenendo così un notevole risparmio di spazio. Anche i progressi registrati nel processo di assottigliamento del substrato di semiconduttore, combinati con le tecnologie di integrazione dei dispositivi passivi, possono contribuire alla riduzione delle dimensioni del sistema complessivo.

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