Da bi zadostili naraščajočemu povpraševanju po bliskovito hitri mobilni tehnologiji, vsako leto tehnološki velikani ustvarijo hitrejše in zmogljivejše naprave, ki lahko delujejo dalj časa z baterijskim napajanjem, kot prejšnji modeli.
Science X
Avtor: Brigham Young University
2021-297-17
Glavni razlog, da lahko podjetja, kot sta Apple in Samsung, to iz leta v leto čudežno izvedejo je ta, da inženirji in raziskovalci po vsem svetu načrtujejo vedno bolj energetsko učinkovite čipe, ki še vedno zagotavljajo visoke hitrosti.
V ta namen so raziskovalci, ki jih je vodila skupina z univerze Brigham Young, zgradili najboljši energetsko učinkovit hitri analogno-digitalni pretvornik (ADC) na svetu. ADC je majhen del tehnologije, ki je prisoten v skoraj vseh elektronskih delih opreme, ki analogne signale (kot je to npr. radijski val) pretvori v digitalni signal.
ADC, ki ga je ustvaril profesor na BYU, dr. Wood Chiang, doktorski študent Eric Swindlehurst in njihovi kolegi, porabi le 21 milivatov moči pri 10 GHz za ultraširokopasovne brezžične komunikacije; sedanji ADC-ji porabijo na stotine milivatov ali celo vatov moči pri primerljivih hitrostih. ADC, ki ga je izdelal BYU, ima trenutno najboljšo energetsko učinkovitost in to s precejšnjo prednostjo pred do sedaj najučinkovitejšimi čipi.
“Številne raziskovalne skupine po vsem svetu se osredotočajo na ADC-je; to je kot tekmovanje, kdo lahko izdela najhitrejši in najučinkovitejši avtomobil na svetu,” je dejal Chiang. “Zelo težko je premagati vse ostale po svetu, vendar nam je uspelo prav to.”
Osrednji izziv, s katerim se srečujejo raziskovalci, kot je Chiang je, da vedno večje pasovne širine znotraj naprav komunikacijskega sistema pomenijo vezja, ki porabijo več energije. Chiang, Swindlehurst in njihova ekipa so se lotili reševanja problema tako, da so se osredotočili na ključni del ADC vezja, imenovan DAC, ki je osrednji del in ki pomeni natančno nasprotje ADC: DAC pomeni digitalno-analogni pretvornik.
Za tehnološko podkovano publiko je spodaj široka razlaga tega, kar je storila raziskovalna skupina
Ekipaje naredila hitrejši in učinkovitejši pretvornik z zmanjšanjem obremenitve iz DAC-ja tako, da so skalirali tako paralelno ploščo kondenzatorja kot tudi razmik med ploščama kondenzatorja. Enotne kondenzatorje so tudi združili drugače kot na običajni način, združevali so enotne kondenzatorje, ki so del istega bita v DAC, namesto da bi jih vmes prepletali. S tem smo trikrat zmanjšali parazitivno kapacitivnost spodnje plošče, kar je znatno zmanjšalo porabo energije in hkrati povečalo hitrost.
Nazadnje so uporabili zagonsko stikalo, vendar so ga izboljšali tako, da je postavil dvojno pot, kjer je mogoče vsako pot neodvisno optimizirati. Ta metoda poveča hitrost, vendar ne zahteva dodatne strojne opreme, ker vključuje razdelitev obstoječih naprav in spreminjanje poti v vezju.
Projekt, ki ga je sponzoriralo tajvansko ministrstvo za znanost in konzorcij tehnoloških podjetij, je trajal štiri leta – tri leta so načrtovali čip, eno leto so ga preizkušali. Skupina, v katero so bili vključeni sodelavci z univerze National Yang Ming Chiao Tung na Tajvanu in Univerze v Kaliforniji v Los Angelesu, je v začetku letošnjega leta objavila podrobnosti o projektu v IEEE Journal of Solid-State Circuits, glavni avtor pa je bil Swindlehurst [1].
“Pri BYU smo dokazali tehnologijo čipa in ni dvoma o učinkovitosti te tehnike,” je dejal Chiang. “To delo resnično potisne ovojnico tega, kar je mogoče, in bo potrošnikom prineslo veliko udobja. Vaš Wi-Fi bo zaradi te tehnologije še boljši, hitreje boste prenašali datoteke in si lahko ogledali 4K ali celo 8K z malo ali nič zaostanka, hkrati pa ohranili življenjsko dobo baterije. ”
Chiang je dejal, da druge verjetne aplikacije za ADC vključujejo avtonomna vozila (ki uporabljajo veliko brezžične pasovne širine), pametne nosljive naprave, kot so očala ali pametne kontaktne leče, in celo naprave, kot so implantanti.
Naprava je zahtevala izpopolnjeno zasnovo in preverjanje, da bi zagotovila pravilno delovanje vseh tisoč povezav v pretvorniku. Popravek ene same napake pri oblikovanju bi trajal vsaj še eno leto, zato je bila ekipa navdušena, da ni naredila napak.
“To je kot gradnja majhnega mesta. Pri tem projektu gre za veliko podrobnosti,” je dejal Chiang. “Študentska ekipa je čudovito opravila svoje delo – vsi deli so se popolnoma ujemali, da so uresničili ta inženirski podvig. Imam srečo, da sem sodeloval s tako nadarjenimi študenti na BYU.”
Vir:
1: Eric Swindlehurst et al, An 8-bit 10-GHz 21-mW Time-Interleaved SAR ADC With Grouped DAC Capacitors and Dual-Path Bootstrapped Switch, IEEE Journal of Solid-State Circuits (2021). DOI: 10.1109/JSSC.2021.3057372
Povzeto po: https://techxplore.com/news/2021-05-world-power-efficient-high-speed-adc-microchip.html
