Un nuevo microchip gasta 30 mil veces menos energía en reposo

Un microprocesador desarrollado en la Universidad de Michigan usa 30.000 veces menos energía en su modalidad de reposo y 10 veces menos en su modalidad activa que los microprocesadores que podemos encontrar ahora mismo en el mercado.

El procesador Phoenix, que establece una nueva marca de bajo consumo de energía, se diseñó para el empleo en aparatos de avanzada activados por sensores, tales como implantes médicos, controles de ambiente y equipo de vigilancia.

El procesador consume apenas 30 picovatios en su modalidad de reposo. Un picovatio equivale a una billonésima de vatio. Según sus creadores, la energía almacenada en una batería de reloj sería suficiente para mantener el Phoenix en operación durante 263 años.

Scott Hanson, estudiante doctorado en el Departamento de Ingeniería Eléctrica y Ciencia de Computadoras, presentó el diseño en el Simposio del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos sobre Circuitos VLSI (la sigla en inglés para "integración en escala muy grande). Hanson dirige este proyecto de manera conjunta con Mingo Seowk, estudiante doctorado en el mismo departamento.

Phoenix mide un milímetro cuadrado. No hay nada extraordinario en su tamaño, ya que muchos sensores y artefactos electrónicos modernos miden un milímetro cuadrado o menos. Pero Phoenix es del mismo tamaño que su batería, y esto sí que es un logro importante.

Reducir el tamaño

En muchos casos, las baterías son mucho más grandes que los procesadores a los que alimentan de energía y esto agranda drásticamente el tamaño y el costo del sistema entero. Por ejemplo, la batería de un ordenador portátil es casi 5.000 veces más grandes que su procesador y proporciona sólo unas pocas horas de energía.

"Este consumo bajo nos permite reducir el tamaño de la batería y, en consecuencia, el tamaño de todo el sistema. Se calcula que nuestro sistema, incluida la batería, es unas 1.000 veces más pequeños que el más pequeño de los sistemas de sensores conocidos ahora", comenta David Blaauw, profesor en el Departamento de Ingeniería Eléctrica e Informática, en un comunicado.

Otro grupo de investigadores de la propia Universidad de Michigan está colocando el Phoenix en un sensor biomédico que controla la presión ocular en pacientes con glaucoma. Los ingenieros creen que procesadores como éste también podrían dispersarse sobre un área para crear una red invisible de sensores que vigilen el agua o el aire, o para detectar movimientos. Asimismo, podrían proporcionar información sobre la integridad estructural de los edificios y puentes nuevos.

Para lograr ese muy bajo consumo de energía, los ingenieros de Phoenix se enfocaron en la modalidad de reposo, que es la forma en que los sensores pasan más del 99%. Los sensores se "despiertan" brevemente para hacer trabajo de computación a intervalos regulares.

El sistema pasa a reposo por omisión. Un temporizador de baja energía funciona como un reloj despertador en reposo y despierta al Phoenix cada diez minutos durante una décima de segundo para el cumplimiento de un conjunto de 2.000 instrucciones.

Compuerta de energía

Por otro lado, un diseño único de compuerta de energía es parte importante de la estrategia del reposo. Las compuertas de energía impiden que la corriente eléctrica llegue a las partes del microprocesador que no son esenciales durante el reposo de la memoria.

En los procesadores típicos más avanzados las compuertas de energía son amplias y de poca resistencia, de manera que permiten el paso de tanta energía como sea posible cuando se enciende el aparato. Estos microprocesadores se despiertan rápidamente y funcionan velozmente, pero cuando están en la modalidad de "sueño" se escapa una significativa cantidad de corriente eléctrica.

Los ingenieros del Phoenix usaron compuertas de energía mucho más estrechas que restringen el flujo de corriente eléctrica. Esa estrategia redujo las pérdidas de energía.

"Una compuerta de energía de un tamaño tan pequeño es algo inaudito en el diseño tradicional dado que limita gravemente el desempeño de un procesador", dijo Seowk,

Para resolver esta pérdida en el funcionamiento, el equipo de Michigan incrementó el voltaje de operación del microprocesador, aumentando la energía básica en aproximadamente el 20% cuando el procesador está "despierto". Pero Phoenix sigue operando con 0,5 voltios en lugar de los 1 a 1,2 voltios requeridos por los microprocesadores típicos.