Vi mạch siêu nhỏ giúp mọi vật kết nối tới Internet

Mỗi ngày trôi qua chúng ta đang ngày càng hòa quyện vào “Internet Sự vật” (Internet of Things), trong đó mỗi và mọi vật thể trên thế giới, như tủ quần áo của bạn cùng với tất cả các món đồ trong đó, hay giá bát đĩa và tất cả mọi thứ trên đó, đều có địa chỉ IP riêng biệt. Tất nhiên là các đồ vật này sẽ liên lạc vô tuyến với nhau. Việc này cần điện năng, trong nhiều trường hợp thì chúng cần được thay hay nạp pin thường xuyên.

Gần đây, Peter Kinget, giáo sư (GS) ngành kỹ thuật điện tử ở Đại học (ĐH) Columbia, Hoa Kỳ, và các đồng nghiệp đã phát triển thành công một vi mạch siêu nhỏ có khả năng phát tín hiệu vô tuyến mà chỉ tiêu thụ rất ít điện năng để tới mức chúng ta có thể không bao giờ cần phải thay pin nữa.

Hình: Baradwaj Vigraham và Peter Kinget, ĐH Columbia, Hoa Kỳ

Vi mạch này được Baradwaj Vigraham, một nghiên cứu sinh tiến sỹ do GS Kinget hướng dẫn, trình bày tại Hội nghị Quốc tế về Mạch Thể cứng của IEEE (International Solid-State Circuits Conference – ISSCC), diễn ra trong khoảng 09-13/02/2013. Bài trình bày có tiêu đề “A Self-Duty-Cycled and Synchronized UWB Receiver SoC Consuming 375pJ/bit for -76.5dBm Sensitivity at 2Mbps,” tạm dịch là “Bộ thu UWB đồng bộ và tự điều khiển chu kỳ hoạt động, tiêu thụ 375pJ/bit năng lượng với độ nhạy -76.5dBm và tốc độ dữ liệu 2Mbps.”

Công trình nghiên cứu này là một phần trong một chương trình nghiên cứu lớn, có tên là EnHANTs. GS Kinget giải thích rằng “Mục tiêu của EnHANTs là tạo ra các thẻ điện tử mỏng, dẻo, độc lập về năng lượng để có thể gắn lên các vật thể thông dụng trong môi trường sống của chúng ta (quần áo, đồ đạc, đồ chơi, sách vở, tường, cửa sổ, …) phục vụ cho các ứng dụng như Internet Sự vật, hậu cần, giám sát và tìm kiếm, hay khôi phục sau thảm họa.”

Các thẻ điện tử có kích thước bằng thẻ tín dụng do GS Kinget và các cộng tác viên (Gil Zussman và John Kymissis) phát triển sẽ thu năng lượng từ các tế bào quang điện. Các tế bào quang điện này có khả năng tạo được năng lượng từ cả nguồn sáng nhân tạo, bên cạnh ánh sáng mặt trời, do các ứng dụng trong nhà là mục tiêu chính.

Các thẻ điện tử sẽ hình thành các mạng dạng lưới (mesh) sử dụng liên lạc vô tuyến dạng xung băng tần siêu rộng (Impulse Radio Ultra-Wideband hay IR-UWB). Về mặt này, vi mạch của GS Kinget là một bộ thu cho kiểu liên lạc vô tuyến tiêu thụ năng lượng rất thấp này. IR-UWB là một giải pháp độc đáo cho các đường truyền vô tuyến có cự ly ngắn và tốc độ dữ liệu thấp. Giải pháp này đã thu hút được nhiều quan tâm, phần lớn từ giới học thuật, trong khoảng vài năm trở lại đây, nhắm vào các ứng dụng của mạng cảm biến và thẻ điện tử. GS Kinget lấy mạng kết nối các cảm biến y sinh là một ví dụ cho hệ thống dạng này.

Bản chất xung độc đáo của tín hiệu tạo điều kiện cho các phương thức liên lạc đạt được với mức tiêu thụ năng lượng rất thấp. Ví dụ như nếu bạn muốn giao tiếp với tốc độ 2Mbps, các vi mạch sẽ truyền các chùm xung tín hiệu rộng khoảng từ 3 tới 4 nano giây (ns) đi cách nhau 500ns. Điều này đồng nghĩa với việc các phần mạch điện có thể được tắt nguồn nhằm tiết kiệm điện năng trong 95% khoảng thời gian giữa các xung.

Với thiết kế này, vi mạch mới nhất của nhóm nghiên cứu tại ĐH Columbia chỉ tiêu thụ mức năng lượng 375 pico Jun (pJ) để thu được một bít dữ liệu. Theo GS Kinget thì kết quả này thấp hơn vài lần so với các kết quả tốt nhất trước đó về các mẫu nghiên cứu bộ thu vô tuyến xung. Ông cũng nói thêm rằng bộ thu IR-UWB này có hiệu suất năng lượng cao hơn trong mức từ 10 đến 100 lần so với các giải pháp thương mại hiện tại. Nghiên cứu mới nhất của nhóm có trình bày các kỹ thuật mới để đồng bộ và chu kỳ hoạt động các mạch điện trong bộ thu.

GS Kinget cho biết “Tiêu thụ năng lượng trong những thẻ điện tử như thế này chủ yếu là do hoạt động liên lạc vô tuyến. Do đó, một mảng quan trọng trong nghiên cứu này là tập trung giảm thiểu năng lượng cho phần này”. “Chúng tôi đang giải quyết vấn đề này ở mọi cấp độ, từ phần tử, mạch điện, tới cả giao thức liên lạc và cấu hình mạng.”

Hiện nay vi mạch do GS Kinget và đồng sự phát triển vẫn ở dạng mẫu thử nghiệm. Ông cho biết “Thiết bị này là một thiết kế dạng hệ thống-trên-chíp (system on chip hay SoC), có nghĩa là nó chứa phần lớn các tính năng cần thiết để chứng tỏ các ý tưởng nghiên cứu mà chúng tôi đang xây dựng. Tuy vậy, thiết bị này vẫn chưa phải là thiết kế với đầy đủ tính năng cho một sản phẩm thương mại.”

Mặc dù nhóm nghiên cứu chưa xây dựng các ứng dụng thương mại, họ đã hoàn thành và trình diễn vài thế hệ của một hệ thống thử nghiệm các thiết bị EnHANTs dùng liên lạc IR-UWB. GS Kinget cho biết, “Hệ thống thử nghiệm này hiện tại vẫn đang sử dụng các thiết kế vi mạch của các phiên bản cũ, tuy nhiên, chúng tôi đang không ngừng nâng cấp hệ thống với các tính năng mới kể cả đường truyền vô tuyến.”

“Do tiềm năng ứng dụng rộng khắp của mạng thẻ và cảm biến điện tử, hướng công nghệ này đang nhận được rất nhiều sự chú ý từ các ngành công nghiệp,” GS Kinget cho biết. “Nhóm chúng tôi đã nhận được tài trợ từ nhiều nguồn, cả từ chính phủ và tư nhân. Xin hãy tham khảo thềm ở trang web của EnHANTs. Chỉ riêng với vi mạch này, Quỹ Khoa học Quốc gia (National Science Foundation), Texas Instruments, và ST Microelectronics đã tham gia tài trợ.”

• Nguyên bản tiếng Anh: “Nanoscale Chip Design Enables Future ‘Internet of Things‘,”  Dexter Johnson, IEEE Spectrum Magazine, February 2013.
• Người dịch: Phạm Duy Đông
• Hiệu chỉnh: Tạ Minh Chiến