能量收获在哪里?

与电源管理传感器网络的首要任务,为什么能量收获了成熟的技术与多样化的能源sources-conspicuously缺席传感器设计,是物联网的基础?

能量收获一直都是一个有前途的解决电池的极限。设备可以运行更长时间的电池费用之间连续甚至零星的能量注入多年来一直讨论的一个话题,尤其是对新功能的需求添加到便携式电子设备和更多的计算能力的需求持续上升。但实际采用这项技术比初步预测显示慢得多。

甚至在几年前,物联网仍旧被定义时,有强烈的共识,能够不断产生足够的能量通过各种类型的能量收获将取代需要更复杂的电源管理,和片外。然而,能量收集技术本身的成本,较低的能量,可以持续收获从光谱可能的能源,在很大程度上保持这种技术设备,它似乎是一个明显的健康。

相比之下,已经有重大进展在能源管理芯片。例子:一个新的智能手机功能大大超过可用的智能手机销售几年前,以同样或更好的电池寿命。大多数芯片制造商都选择了架构优化而不是集中在能量收获,扩展到下一个流程节点,使用低能耗的蓝牙或无线个域网而不是蜂窝网络,依靠一系列细化和修改设计。

“人们仍然面临着权力和收获,”维克Kulkarni说,副总裁兼首席策略师半导体业务单元有限元分析软件。“客户用来询问功率降低。现在的能源管理和热管理。”

这并不是说研究能量收获正在放缓。新论文继续出现在从光伏能量收获,压电,生化,热,和机械振动的来源,特别是手表等衣物,权力与运动。但其实际产品采用缓慢,似乎没有改变。

“我没见过商业采用,”罗恩·洛曼说,产品营销经理组的解决方案Synopsys对此。“有增量开发在很多领域,但人们正在寻找高容量的跑步者。我没有看到很多的大力发展。总有一个更高的成本来实现这些技术,和人们规避风险。”

使用能量收获或一致性,无线电力传输增加了不确定性,而现有方法将至少提供一些权力在所有情况下。

“如果能源供应并不是在你的控制或受环境提供了你什么,你必须采取艾弗里保守的方法,电源管理装置,”杰夫•米勒说,经理的产品营销和策略导师,西门子业务。

十年前更加常见的设计,结合能源采集设备,如智能环境传感器,监测他们的位置在时钟和维护无线连接发送定期更新。这些设计只需要换电池每隔5到10年,菲尔·索利斯解释说,IDC的研究主任支持技术。

“很多努力已经进入设计芯片组消费力量太少,他们不需要额外帮助电池最近10年或更长时间,是物联网的目的,“索利斯说。“这些芯片组设计非常节能,并且他们几乎所有的时间睡觉。他们保持尽可能少的驱动,醒醒,发送一个更新,直接睡觉,所以他们得到一个电池寿命长。他们可能没有添加另一个元素更可靠。”

一些行业的增长
不过,不要计算能量收获。欧洲热衷于这个概念。事实上,国际电工委员会(IEC)批准EnOcean规范于2012年作为一个ISO / IEC标准和超低功耗无线应用程序,包括规范对能源的收获以及能源传输。

能量收集技术市场也预计将从3.112亿年的2016美元增长到6458亿美元,到2023年,根据MarketsAndMarkets。

能量收获越来越普遍在更复杂的设备,但是今天技术的成本限制了其商业吸引力。例如,沃尔玛要求传感器,成本不到1美元。零售巨头使用传感器来帮助保持食品质量和使其全球供应链的效率,根据一项报告哈佛商学院(Harvard Business School)。

平等的压力来自相反方向,同时,与传感器能够使用蓝牙通信,蓝牙低能量,wi - fi无线个域网以及在2 g、3 g或4 g蜂窝网络。他们仍然需要有足够的处理能力足够让这些网络安全。

“物联网设备应该是简单,”ANSYS”Kulkarni说。“现在我们发现我们在一个多域分析情况我们要做能源和热分析对芯片与包与系统和天线。所有连接,必须考虑的大小和重量和精力。”

这对芯片制造商造成巨大压力semi-customized开发设备,但由于与批量生产的芯片的价格标签。投资新技术在这种情况下是在经济上缺乏吸引力。

“物联网是干净的一千个不同的应用程序,“洛曼说Synopsys对此。“肯定有传感器,但他们的传感器网络需要通过网络进行通信。你看到语音识别和个人助理的出现。人们谈论移动AR /虚拟现实。但这些只是手机芯片组re-purposed-security摄像头,摄像头。经常有大小或重量的限制,要求我们让客户在一个低成本的芯片。这是一个挑战。”

安全
同时,需求增加的安全,需要计算能力和存储来支持身份验证和加密,并具有足够的诊断或遥控功能的双向沟通知道如果一个特定的节点的身份被识破了。

“有数十亿的节点。”Kulkarni说。“如果一些成为敌对,你必须看看有人带他们过去,你可能不得不解除全球一系列的节点,所以安全成为重要节点情报,而不是作为一个补充。”

甚至人身安全是一个问题在某些情况下,Kulkarni说,因为攻击者可以检查热芯片组的签名识别潜在的攻击。一些客户已开始要求增加电力芯片的使用在一些地区甚至热图中的热点,让弱点难以确定,他说。

这些附加功能,甚至添加天线支持必要的网络协议,影响权力配置足以让设备不可接受的客户即使要求功能都到位,Kulkarni说。

还原能力
用更少的能源提供更强大的功能最简单的方法是通过流程节点减少,从28 nm 16/14nm,甚至10/7nm。限制,然而,因为移动信号在瘦大芯片的电线从一边到另一个提高RC延迟的问题,这就需要更多的权力来驱动这些信号。它还会产生热量,这增加电迁移和加速电路老化。

这是其中一个原因先进包装已经开始获得牵引力,特别是2.5 d和扇出,也可以利用模拟电路不受益于节点收缩。使用逻辑库水平较低的泄漏将防止频繁的重新加载和保存力量,洛曼说。增加的能力做一些trigonomic函数与数字信号处理器还允许应用程序来验证自己的环境数据在一个单一的周期,而不是多个。

如果传感器有足够的计算能力运行自己的一些计算,也可以消除需要如此频繁的发送数据到云。时间一个处理器计算几个周期远小于成本的设备醒来,保持清醒来发送数据并等待接收响应。

远程设备有更多的处理能力,它可以做更多的工作本身和它必须发送到云越少,米勒说。

“如果你没有一个低成本的网关附近,这可能没有效果,但是如果你有足够的边缘处理设备,计算可以节省你大量的力量,”米勒说。

能量收获是否会改变这个方程不清楚这一点。光、热、运动仍然可以生成环境能量。弗劳恩霍夫IIS的BlueTEG模块例如,使用热源之间的温差和环境监测和结构健康状况。

图1:弗劳恩霍夫BlueTEG模块。来源:弗劳恩霍夫IIS

led和佐治亚理工学院1000年产生了一个数组,可以由一只鞋的力量惊人的地板上。

图2:佐治亚理工学院教授Zhong Lin Wang构成阵列1000 LED灯,可以照亮的权力产生的力鞋的摩擦电发电机放置在地板上。照片:佐治亚理工学院/抢劫的感受

但是,当所有这些收获技术将需要增加电池,或可能消除它们,并不明显。最后,还是到质量价格函数采用更标准化的方法,以证明可靠性和一致性。现在,电池和高效芯片架构是真正的竞争,而且似乎有更多的空间来提高设计的效率和计算能力在一个给定的能源预算之前附加元件部分是必需的。

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