新型智能芯片：在电池没电时仍可继续工作

导读

近日，新加坡国立大学（NUS）工程师团队开发出一种称为“BATLESS”的创新型芯片。即使在电池电量耗尽时，该芯片仍然可以继续工作。

背景

虽然物联网目前仍处于初级阶段，但它正对于我们日常生活以及许多行业的未来产生着重要的影响。从概念走向现实的过程中，物联网设备遭遇到的关键挑战之一，就是在严格受限的能源条件下进行长期持久的操作，这需要极高的功率效率。IoT 设备，比如感测器，通常会大规模部署在那些偏远并难以定期服务的地方，所以让它们的能量变得自给自足非常有必要。

目前，在IoT设备中，相比于电池为之提供电力的单个芯片，电池本身要大很多并且昂贵达三倍。电池的尺寸由感测器节点的续航时间决定，续航时间直接影响到电池多久需要充一次电。电池的尺寸，与它的维护成本以及被处理时对环境产生的影响都有着重要关系。为了延长总的续航时间，电池通常会从环境中采集一些有限的能量，缓慢地再次充电，例如采用太阳能。

无论如何，大多数现有的IoT设备还是无法离开电池来运行（虽然目前科学家们已经开发出一些旨在摆脱电池的自供电技术），并且小型电池完全放电更加频繁。因此，电池小型化通常会使得IoT设备的工作经常间断。因为每当电池电量耗尽时，IoT设备就要停止工作。

创新

（图片来源：NUS）

为了填补这一技术鸿沟，新加坡国立大学（NUS）工程师团队开发出一种称为“BATLESS”的创新型芯片。即使在电池电量耗尽时，该芯片仍然可以继续工作。BATLESS 具有一种新的电源管理技术，该技术让它可无需任何其他电池的帮助，只采用位于芯片上的微型太阳能电池，就可以在微弱的光线下，自启动并持续工作。

这项突破性研究发表于2018年在旧金山召开的国际固态电路会议（ISSCC）上，该会议是展示固态电路和系统级芯片科研进展的首要的全球性论坛。

技术

即使在电池电量耗尽时，“不在乎电池”（Battery indifference）的能力使得IoT设备仍可以持续运行。这种能力通过两种工作模式来实现：最低能量和最低功率。当电池还有电时，芯片工作于最低能量模式下，使电池续航时间变得最长；当电池电量耗尽时，芯片切换至最低功率模式，运行时的功耗非常低，只有半纳瓦。这种功耗约为智能手机通话时功耗的十亿分之一。一个芯片上的微型（面积约为0.5平方毫米）太阳能电池，或者从环境中采集的能量（例如：振动或者热量），都可以用于提供如此微小的能量。

芯片在最低能量和最低功率模式之间切换的能力，使得电池尺寸从几厘米缩小至几毫米。BATLESS 芯片开启了一系列非凡的能力，不间断地对兴趣事件进行感知、处理、捕捉和打时戳，以及在电池再次变得有电时，将这些有价值的数据通过无线方式传输至云端。

BATLESS 也配备了一种新型电源管理技术，可实现自启动，同时直接由芯片上的微型太阳能电池供电，无需其他电池协助。团队通过一个50勒克斯的室内光照强度进行了演示，这个光照强度相当于黄昏时的微弱光线，对应于纳瓦级的功率。如此一来，BATLESS可以不在乎电池电量，从而解决了在无电池芯片中之前未得到解决的问题。

价值

这项突破性的研究充分减小了为IoT感测器节点供电的电池尺寸，使得它们缩小至十分之一且制造成本更低。除了在电池电量耗尽时，采用最小功率模式，减速的芯片还可应用于一些列物联网场景，感知随着时间变化缓慢的参数，例如：温度、湿度、光线和压力。此外，BATLESS 还具有其他的应用，例如智能建筑、环境监测、能量管理以及让生活空间满足居住者的需求。

NUS 科研团队的领导者，NUS 工学院电气与计算机工程系副教授 Massimo
Alioto 表示：“BATLESS 是首个不在乎电池电量的新型芯片案例。在最低功率模式下，相比于为以固定最低能量运行而设计的现有最佳的微控制器，它使用的能量仅为十万分之一到千分之一。同时，相比近期设计的以固定最低能量运行的其他微控制器，我们的16比特微控制器运行速度快十万倍。总之，BATLESS 芯片涵盖了非常广泛的能量、功率和速度因素，因为两种不同的模式带来了灵活性。”

Massimo
Alioto 副教授还表示：“我们演示了用于IoT设备的电池可被充分缩小，因为保持连续工作时并不是总需要它们。在朝着无需电池的IoT感测器节点的最终版本目标迈进的过程中，解决这一根本性问题成为了一个重要进展，为打造一个具有数万亿IoT设备的世界铺平了道路。”

未来

目前，NUS工程团队正在开发新的方案，构建完全不在乎电池电量的系统，覆盖从感测器到无线通信系统的整个信号链，在微控制器与电源管理方面继续拓展目前的研究。

在完全无需电池的长期目标指引下，团队开发出一种将电池缩小至毫米级的方案。它将成为朝着全球IoT愿景迈出的重要一步，也将使得我们的星球变得更加绿色和智能。

（图片来源于：维基百科）

关键字

物联网、智能、芯片、能量、电池

参考资料

【1】http://news.nus.edu.sg/press-releases/BATLESS-smart-microchip

【2】Longyang Lin, Saurabh Jain, Massimo Alioto. A 595pW 14pJ/Cycle microcontroller with dual-mode standard cells and self-startup for battery-indifferent distributed sensing. Physical Review Letters, 2018; 120 (11) DOI: 10.1109/ISSCC.2018.8310175