IoT: quando l’amplificatore è a basso consumo


Un progetto di un dottorando del Politecnico di Torino abbatte i consumi e riduce le dimensioni: si aprono nuovi scenari nel mondo IoT

Grande quanto una cellula umana, consuma talmente poco da poter funzionare senza batterie, unicamente alimentato soltanto da una piccola cella solare. Utopia? No: è  l’amplificatore operazionale a più basso consumo mai realizzato, sviluppato da Pedro Toledo, dottorando presso il Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni – DET del Politecnico di Torino all’interno di un’attività di ricerca coordinata dall’Ateneo sotto la guida del professor Paolo Crovetti e in collaborazione con il gruppo del professor Sergio Bambi dell’Universidade Federal di Rio Grande do Sul e con il gruppo “GreenIC” del professor Massimo Alioto, presso la National University of Singapore (NUS).

La ricerca ha portato allo sviluppo di un amplificatore operazionale, circuito necessario per elaborare il segnale analogico proveniente dai sensori, con caratteristiche vantaggiose sia per i consumi (assorbe soltanto 500 picoWatt – 1picoWatt (pW) è uguale a 10-12 Watt – oltre 30 volte meno rispetto ai migliori circuiti attualmente sul mercato), sia per le dimensioni.
Il nuovo amplificatore occupa un’area di silicio inferiore a 1500micron quadrati – 1 micron quadrato ( è uguale  a 10-12 m2  – riducendo di 20 volte le dimensioni degli amplificatori con caratteristiche simili allo stato dell’arte.

Questa attività ha visto coinvolti ricercatori di tre continenti – afferma Toledoe ha portato ad un significativo avanzamento dello stato dell’arte degli amplificatori. L’amplificatore digitale proposto non solo batte i record di consumi e di area, ma permette anche di ridurre in modo significativo i tempi di progetto. Questo è di grande interesse per l’industria dei semiconduttori, dove il tempo è denaro.

 

Questo risultato apre la strada a nuove applicazioni, ad esempio in sistemi IoT, mercato che coinvolgerà 106,1 miliardi di dollari entro il 2026, energeticamente autonomi, in grado cioè di prelevare direttamente dall’ambiente circostante l’energia necessaria per funzionare, senza necessità di batterie o collegamenti alla rete elettrica.
Altre applicazioni possono arrivare dall’ambito biomedicale, con dispositivi impiantabili nel corpo umano di dimensioni confrontabili con le cellule umane, per rilevare informazioni di e trasferirle all’esterno del corpo via wireless (Body Dust).

 

Se il costante sviluppo delle tecnologie dei semiconduttori ha permesso di migliorare sempre più le prestazioni e ridurre in modo eccezionale il consumo di energia e le dimensioni dei circuiti digitali, i circuiti analogici come gli amplificatori non hanno quasi tratto vantaggio dai recenti sviluppi tecnologici.
Per questo motivo amplificatori e altri circuiti analogici, indispensabili in ogni sistema elettronico per acquisire segnali esterni e convertirli in formato digitale, rappresentano oggi un punto critico in termini di consumo di energia e di dimensioni dei sistemi elettronici integrati, quindi sono un ostacolo allo sviluppo di tecnologie emergenti come IoT e dispositivi biomedicali impiantabili.

L’amplificatore – ha sottolineato il Professor Crovettiriesce ad abbattere i consumi e a ridurre le dimensioni grazie all’applicazione di una tecnica innovativa ideata dal nostro gruppo negli ultimi anni, che prevede di “tradurre in digitale” il funzionamento di circuiti analogici come gli amplificatori, così da poter trarre pienamente vantaggio dei recenti sviluppi delle tecnologie dei semiconduttori. 

I risultati della ricerca sono pubblicati in IEEE Solid-State Circuits Letters, nelle IEEE Transactions on Circuits and Systems part I e nelle IEEE Transactions on Circuits and Systems part II e saranno presentati nella conferenza ISICAS2021 che si terrà a Singapore dal 9 all’11 dicembre 2021.