Innovatives Chip-Design steigert Energieeffizienz um Faktor zehn

Ein neues Chip-Design für portable Elektronik ermöglicht eine bis zu zehnmal höhere Energieeffizienz als derzeit gängige Technologien. Als Proof-of-Concept wurde die Entwicklung auf der International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) vorgestellt. Erarbeitet haben das Design Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Zusammenarbeit mit Texas Instruments. Im Bereich implantierbarer medizinischer Geräte soll eine Stromversorgung allein durch körpereigene Energiequellen erreicht werden.

Durch die drastisch erhöhte Energieeffizienz des Chips sinkt der Energieverbrauch im Vergleich zu aktuellen Systemen ebenso deutlich. Das wird der Technologie viele Anwendungsmöglichkeiten eröffnen, sind die Forscher überzeugt. Bei portabler Elektronik wie Mobiltelefonen oder Media Playern etwa würde sich die Batterielaufzeit entsprechend verlängern. Implantierbare medizinische Geräte könnten bei entsprechend geringem Strombedarf allein durch Körperwärme und Bewegung ausreichend mit Energie versorgt werden.

„Das wäre für Geräte wie implantierbare Defibrillatoren, die einen großen Energieaufwand für äußere Stimulation haben, wohl nicht sehr effizient“, meint Hermann Lanmüller vom Zentrum für biomedizinische Technik und Physik der Medizinischen Universität Wien auf Anfrage von pressetext. Für kompakte Systeme speziell im Sensorik-Bereich wäre es aber vorstellbar, dass insbesondere Bewegungsenergie als Stromversorgung ausreichen könnte. Selbst falls das nicht gelänge, hätten besonders energieeffiziente Chips Vorteile. „Es ist schon ein Gewinn, die Betriebsdauer von batteriebetriebenen Implantaten zu verlängern“, betont Lanmüller.

Der Schlüssel zum geringen Energieverbrauch ist das Herabsetzen der genutzten Spannung auf 0,3 Volt gegenüber derzeit üblichen Werten von etwa einem Volt. Dieser Übergang ist nicht ganz einfach. “ Speicher- und Logikschaltkreise müssen ein Redesign erfahren, um mit sehr niedriger Betriebsspannung zu arbeiten“, beschreibt MIT-Professor Anantha Chandrakasan. Die Forscher haben den Betriebsanforderungen entsprechende Schaltkreise mit einem Gleichstromsteller zu einem System-on-a-Chip integriert. Eine wesentliche Herausforderung dabei war laut MIT-Forschern, im Silizium-Chip Unregelmäßigkeiten zu minimieren. Diese würden bei niedrigerer Spannung größere Probleme bedeuten.

Noch ist die Entwicklung im Proof-of-Concept-Stadium. Kommerzielle Anwendungen könnten aber in fünf Jahren oder sogar noch früher verfügbar werden, glaubt Chandrakasan. Weiters könnten sich militärische Anwendungen in Form von unabhängigen Sensor-Systemen ergeben. Angesichts einer Finanzierungsbeteiligung des U.S. Defense Advanced Research Projects Agency erscheinen solche Entwicklungsziele wahrscheinlich.