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微系统|美国密歇根大学再次刷新世界最小计算机尺寸记录,大小仅为0.3mm×0.3mm
罗纳尔多 2018-06-27
导语

这款设备比米粒还小,利用可见光接收和传输数据。

2018年3月,IBM宣布研制出全球最小计算机,6月,微型计算机冠军的出产地——美国密歇根大学再次刷新计算机最小尺寸记录,推出大小仅为0.3mm×0.3mm的微型计算机。与大米的尺寸对比如下图所示。

图为密歇根大学最新研制的微型计算机

▍与传统的不同

IBM在2018年3月推出微型计算机时的说明引起了广泛的关注。在此前研制的微型计算机系统中,包括密歇根大学的2×2×4mm“密歇根微尘”,即使在没有外部供电的情况下,也能保存程序信息和数据,一旦上电,程序和数据将自动加载。而IBM和密歇根大学新推出的微型计算机则在断电时立刻丢掉所有存储的程序和数据。

电气和计算机工程(ECE)教授David Blaauw说:“我们不确定它们是否应该被称为计算机。关于他们是否有一个计算机应具备的最小功能是一个见仁见智的问题。”Blaauw与同为ECE教授的Dennis Sylvester和Jamie Phillips共同领导新系统的研发。

▍与IBM的不同

与IBM的1mm×1mm微型计算机相比,密歇根大学表示不仅仅是尺寸上的减小。Blaauw说:“我们微型计算机的尺寸只有IBM的1/10,所以能够嵌入更小空间应用。而且,IBM的微型计算机能够发送一个识别它自己的编码,但并不能感知外部物理环境。”

▍结构组成

微型计算机中包括存储器(RAM)、太阳能单元、处理器和无线收发器。由于体积太小,无法采用传统无线天线,而是通过可见光发射和接收数据。一个基站提供光来供能和编程,并接收数据。

在研制尺寸只有IBM微型计算机尺寸1/10的微型计算过程中,面临的最困难挑战之一是,系统封装必须透明时,系统如何以极低功耗工作。Blaauw说:“我们得研发新方式来实现电路设计,既能以低功耗工作,又能容忍光。”来自基站的光和器件自身LED的光能够在小电路中引入电流。另一个挑战是在低功耗时取得高精确度,这通常使得很多常规电信号(如电荷、电路和电压)的噪声更大。

▍应用

Blaauw说:“当我们首次实现该毫米系统,我们事实上并不确切地知道它将用于哪些方面。但当我们对外宣布该成果后,我们开始收到非常多的询问。”微型计算器件非常灵活,为研究人员在多种应用领域开启了新的可能。潜在应用包括:用于青光眼诊断的压力检测、癌症研究、油藏检测、生物化学过程监控、监视:声音和视觉、小蜗牛研究。

▍温度监测示例

该微型计算机可设计实现一个精确的温度传感器。新器件可将温度转换为时间间隔,使用电脉冲定义。测量芯片上的时间间隔和由基站发出的稳定时间间隔间的差异,然后转换为温度。结果是,该计算机能够报告极小区域的温度,如一小束单元,误差大概是0.1摄氏度。

温度有望帮助评估癌症的治疗。如在肿瘤学中,一些研究表明肿瘤的温度比正常的细胞组织要高,但是数据并未高到在组织上可能明确显现出来的地步。研究团队的长期合作者——放射学和生物医疗工程教授Gary Luker说:“由于温度传感器很小且生物兼容,可将其植入到一个老鼠癌症细胞中。我们使用该温度传感器来研究肿瘤中温度与正常细胞中温度变化的不同,而且有望使用温度中的变化来决定诊断的成功或失败。”

▍研究成果

研究成果发表在2018国际VLSI技术和电路峰会上做了介绍,论文名是“A 0.04mm3 16nW Wireless and Batteryless Sensor System with Integrated Cortex-M0+ Processor and Optical Communication for Cellular Temperature Measurement”。

▍合作

该研究工作与日本三重富士通半导体和美国富士通电子公司合作完成。

▍延伸阅读

2010年,密歇根大学的研究人员设计并制作了一个8.75立方毫米的M3实验原型机,如下图所示。该原型机采用分层设计思路,主要包含了以下部件:180纳米CMOS技术加工的太阳能电池、用来存储能量的12μAh容量的薄膜锂电池、ARM公司生产的Cortex-M3微处理器、低电压静态随机存储器(SRAM)和能量管理单元、温度传感器等。借助降低处理器运算速度、低泄漏的SRAM设计、睡眠模式和高效的能量管理单元等设计,该原型机理论上可以工作数年以上。

图为2010年密歇根大学研制的M3原型机

2011和2012年密歇根大学仍采用分层设计思路,先后设计出体积仅为1.5立方毫米和1立方毫米的“智能尘埃”。其中2012年的研究成果采用ARM Cortex-M0为控制核心,处理能力更强,且具备射频通信功能。此后,密歇根大学持续推进M3的研究,2015年密歇根推出的M3,可通过高频闪光进行充电,并使用传统无线电频谱向中央电脑发送数据。

图为2012年密歇根大学研制的M3原型机

图为2015年密歇根大学研制的M3原型机

(本文来源:大国重器微信公众号;)

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  • 计算机
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文章评论(1)
爬上海岸的鱼[SYNNEX China]

“当我们首次实现该毫米系统,我们事实上并不确切地知道它将用于哪些方面。但当我们对外宣布该成果后,我们开始收到非常多的询问。”这是正确的产业化方式

18天前 | 回复
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作者 罗纳尔多

学生

北京理工大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科
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