L’evoluzione di Internet of Things verso Internet of Everything sta spostando l’attenzione degli sviluppatori verso il più importante elemento di innovazione di questo nuovo paradigma di rete ad elevato livello di embedding, l’edge node. Questo elemento chiave dell’architettura IoT/IoE è fondamentalmente costituito da quattro tecnologie di base: sensing, processing, connettività e alimentazione elettrica. L’alimentazione elettrica in questo nuovo modello di computer ultraembedded, che sarà il cuore di miliardi di dispositivi connessi, è la sfida tecnologica più importante in quanto la maggior parte di questi dispositivi saranno indossabili, quindi particolarmente energy-sensitive. Il modello tradizionale di alimentazione basato sulle coin battery e sui supercondensatori per tali sistemi ultraembedded non è applicabile, in quanto non sufficientemente piccoli, non autoricaricabili e che necessitano di essere sostituiti nel tempo. La soluzione innovativa per fornire energia ai sistemi ultraembedded è quella compatibile con la natura altamente integrata di tali sistemi, le batterie allo stato solido combinate con la tecnologia dell’harvesting ambientale. La caratteristica fondamentale di IoE non sarà semplicemente “tutto connesso con tutto” ma “tutte le reti connesse con tutte le reti”. Ciò significa che i dispositivi edge node saranno sempre attivi, anche se la rete Internet non è attiva o disponibile, e, soprattutto nel caso dei sistemi indossabili, gli edge node saranno “proattivi”, cioè capaci di interagire indipendentemente da chi li indossa. In pratica saranno invisibili, completamente integrati nei prodotti, ma allo stesso tempo capaci di interagire con il soggetto che li indossa e con la rete a cui sono connessi. Di conseguenza oltre che piccoli e leggeri, non devono essere visibili all’utilizzatore nel senso che questo non deve considerare tali sistemi in termini di manutenzione, in particolare non deve dover ricaricare o sostituirne la batteria. Questi nuovi requisiti dei sistemi implicano che è necessario passare dal modello tradizionale di alimentazione dei sistemi a quello avanzato dell’alimentazione integrata e distribuita. L’alimentazione diventa un componente integrato del sistema e, come tale, un componente che viene applicato ove è necessario, ottimizzando in tal modo sia l’architettura di sistema, sia i consumi di potenza. Le batterie allo stato solido costituiscono la nuova tecnologia per fornire energia ai sistemi elettronici integrati in accordo con la loro natura. Le batterie allo stato solido EnerChip di Cymbet vengono realizzate direttamente sul wafer di silicio utilizzando il processo tipico della realizzazione dei semiconduttori, che porta dal wafer al montaggio sulla scheda esattamente come un qualsiasi altro componente elettronico. Data la natura di energia on-chip di questa soluzione di alimentazione, è possibile intervenire ai vari livelli del processo per ottenere la soluzione ottimale per la specificità dell’applicazione.
I vantaggi delle batterie allo stato solido
Le batterie allo stato solido hanno una serie di vantaggi che le rendono particolarmente uniche come fonte energetica per i sistemi ad elevato livello di embedding. Innanzitutto le dimensioni, dato che si tratta di batterie allo stato solido. Il package per le batterie EnerChip è di 4 x 5 x 9 mm, ma se si utilizza direttamente il die si va su dimensioni micrometriche, per esempio nel caso specifico di 150 micron di spessore. L’autoscarica delle batterie allo stato solido è estremamente bassa se comparata a quella dei supercondensatori, 1-2 % annuo rispetto al 10-20% annuo dei supercondensatori. Oltre a questa importante peculiarità, le batterie allo stato solido offrono tensioni di uscita particolarmente alte e stabili. Le tensioni di uscita sono tra 3,8 e 3,3 volt, sono stabili per il 95% della scarica e ciò rende il sistema particolarmente stabile dal punto di vista energetico. Anche il tempo di carica è molto basso per le batterie allo stato solido. Le batterie EnerChip in 10 minuti si ricaricano per l’80% utilizzando un semplice sistema costante di carica. Un altro fattore di funzionalità significativo per i sistemi embedded di nuova generazione è il mantenimento della carica per un tempo molto più lungo di quello di vita attiva del sistema stesso (per esempio un dispositivo che viene caricato al momento della produzione e poi, per varie ragioni, tenuto in magazzino per mesi o per anni). Questa funzionalità nelle batterie allo stato solido è quasi nativa, diversamente dai supercondensatori che invece richiedono soluzioni molto più complesse. Un esempio emblematico di questa potenzialità della tecnologia di embedding dell’energia allo stato solido a livello di chip e di system-on-chip è il real-time clock CBC34123 di Cymbet, dove, sullo stesso package sono stati integrati un Rtc low-power di NXP, un chip di power management ultra low-power e la batteria allo stato solido CBC005 di Cymbet sotto forma di die. Ciò non solo ha permesso di ottenere dimensioni estremamente ridotte per questo tipo di dispositivo (5 x 5 mm), ma anche una durata e una efficienza energetica compatibile con la natura del dispositivo stesso (real-time clock).
Harvesting, l’energia invisibile
La tecnologia dell’ultra embeddeding sta portando verso un paradigma di sistema non solo indipendente dall’interazione e dal controllo esterno, ma addirittura dell’invisibilità del sistema stesso. Invisibilità non solo dimensionale (siamo ormai in una scala dimensionale sub-millimetrica a livello di packaging), ma anche funzionale (nel senso che il fruitore del dispositivo è completamente disimpegnato coscientemente o non coscientemente da questo). L’harvesting, ovvero la capacità del sistema di accumulare energia in maniera indipendente, è senza dubbio la più importante delle tecnologie atte a fornire energia di ricarica alle batterie allo stato solido. Le fonti di harvesting energetico per i sistemi sono molteplici e tutte con elevata potenzialità di integrazione su silicio: fotovoltaica (conversione da luce a energia elettrica); meccanica (conversione da energia di movimento a energia elettrica: piezoelettrica, elettromagnetica, elettrostatica); termica (conversione dell’energia termica in energia elettrica); radiofrequenza (conversione da energia elettromagnetica a energia elettrica). Ognuna delle modalità di harvesting presenta delle problematiche implementative dovute alla natura della fonte energetica, ma allo stesso tempo, evidenzia una serie di vantaggi strettamente legati alla natura delle applicazioni. Per esempio, nei sistemi indossabili l’energia termica può essere più facilmente gestibile di quella fornita dalla luce, mentre nei sistemi embedded ambientali l’harvesting dall’energia della luce può essere più facilmente implementata rispetto a quella termica.
Energia embedded
La tecnologia delle batterie allo stato solido ha consentito di sviluppare un nuovo paradigma di alimentazione per i sistemi microelettronici, l’energia embedded. Questo nuovo paradigma di alimentazione dei sistemi integrati recentemente introdotto è una costituito da una vera e propria architettura di distribuzione dell’energia all’interno di un chip. Questa consiste nel porre delle microbatterie all’interno di un dispositivo complesso dove è richiesta energia (Cpu, memoria, Rtc, periferiche, ecc.). Un primo passo verso l’attuazione di questa strategia di alimentazione pervasiva è già possibile in termini di co-packaging, cioè la tecnologia di packaging che consente di integrare su un unico package più die di batteria allo stato solido con più IC in un contesto unico di sistema-on package. I vantaggi che derivano da questo approccio distribuito all’alimentazione dei circuiti integrati è l’enorme riduzione di energia necessaria di effetti collaterali come la dissipazione di calore. La scalabilità dell’alimentazione è un altro grande vantaggio, in quanto con l’alimentazione distribuita il dimensionamento energetico cresce in proporzione alla crescita di complessità del sistema, senza inutili sovradimensionamenti.
