Tehontarpeen ennakointi: Abrar Akram ja piirit, jotka osaavat varautua

Yksi rajoite kaikille laitteille 

Havainto kuulostaa yksinkertaiselta, mutta sen seuraukset ulottuvat syvälle laitteistosuunnitteluun. Henkilökohtaiset elektroniikkalaitteet ovat kehittyneet yhä tehokkaammiksi ja ohuemmiksi, mutta niiden sisällä olevat akut eivät ole kehittyneet samassa tahdissa. 

Piirit, jotka säätelevät akkuvirran jakelua laitteen sisällä, tunnetaan tehonhallintapiireinä (PMIC, power management integrated circuit). Niiden merkitys kasvaa vaatimusten kasvaessa. 

– Meillä voi olla kuinka nopeita tietokoneita tahansa ja kuinka tarkkoja laskentapalveluita tahansa – silti teho ja energia asettavat rajansa.

Näiden järjestelmien keskeinen komponentti on “LDO-säädin” (LDO, low dropout regulator), joka ylläpitää vakaata jännitettä, vaikka kuorma vaihtelee. “Pienen pudotuksen” käsite viittaa siihen, että säädin toimii myös silloin, kun tulo- ja lähtöjännitteen ero on hyvin pieni; juuri kun akkukäyttöiset laitteet lähestyvät rajojaan. 

Perinteiset LDO-säätimet tukeutuvat ulkoisiin kondensaattoreihin, passiivisiin komponentteihin, jotka toimivat pienenä varaukseen varastoina, tasoittamaan äkillisiä kuormanmuutoksia. Laitteiden pienentyessä tämä on yhä hankalampaa toteuttaa. Laite, jossa on kaksikymmentä LDO-säädintä, tarvitsee kaksikymmentä kondensaattoria, jotka kukin vievät tilaa ja lisäävät kustannuksia. 

Akramin väitöstutkimus keskittyi näiden kondensaattorien poistamiseen. Haaste on siinä, että kondensaattorit purkavat varastoituneen energiansa lähes välittömästi kuormapiikin aikana ja antavat säätimelle aikaa reagoida. 

Reagointi tapahtuu takaisinkytkentäsilmukan kautta, koska piiri tarkkailee jatkuvasti lähtöään ja korjaa poikkeamat. 

– Otin käyttöön epälineaarisen, tapahtumapohjaisen ohjauksen periaatteen. Kun kuormassa tapahtuu jokin muutos, takaisinkytkentäsilmukka havaitsee sen ja reagoi välittömästi. Moninkertainen silmukkarakenne osoittautui hyvin hyödylliseksi.

Reagoinnista ennakointiin 

Nopeuden tavoittelu on johtanut erilaiseen lähestymistapaan: ennakoidaan kysyntää sen sijaan, että reagoitaisiin siihen. Tarkastelussa olevassa työssä Akramin tutkimusryhmä soveltaa LDO-suunnitteluun avointa hajautusketjuun perustuvaa algoritmia, joka on eräänlainen vahvistusoppimisen muoto. Siinä järjestelmä rakentaa muistin aiemmista tilanteista ja niihin annetuista vasteista. 

Nykyaikaiset kuormat, erityisesti tekoälylaskennassa, noudattavat usein tunnistettavia kaavoja. Kun regulaattori on nähnyt tietyn kaavan ja tallentanut oikean vasteen hakutauluun, se voi käyttää sitä välittömästi seuraavalla kerralla, ohittaen takaisinkytkentäsilmukan kokonaan.

– Ensimmäisellä kerralla se toimii tavallisen LDO-säätimen tapaan. Mutta seuraavalla kerralla, kun sama toistuva kuormakaava ilmestyy, se hakee tiedon hakutaulukoista ja syöttää sen suoraan lähtöön.

Prototyypeissä vasteaika laskee alle nanosekuntiin; huomattavasti nopeammaksi kuin tavanomaisissa analogisissa piireissä. Syy on rakenteellinen. Analogiset järjestelmät ovat luonnostaan rajallisia reagointinopeudeltaan. Digitaalinen logiikka toimii eri tavoin: se käsittelee diskreettejä binaarisia arvoja transistorien kytkentäviiveiden tahdissa, jotka ovat murto-osan analogisten piirien viiveistä. Analogisen havainnoinnin, joka liittyy suoraan fyysisen maailman signaaleihin, ja digitaalisen ohjauksen yhdistäminen on sekasignaalisten integroitujen piirien suunnittelun ydin, ja juuri se on Akramin erikoisala. 

Jos lähestymistapa vahvistetaan ja sitä laajennetaan, se voitaisiin tulevaisuudessa skaalata palvelinkeskusten laitteistoihin asti. 

– Analogisten piirien suunnittelijoiden on ymmärrettävä, miten digitaalinen ohjaus ajaa heidän analogista piiriään. Digitaalinen ohjaus on tulevaisuus.

Kuva: Antti Yrjönen

Teho ilman akkua 

Väitöskirjansa jälkeen Akram siirtyi biolääketieteellisten implanttien pariin, joissa tavanomaiset tehonlähderatkaisut eivät sovellu pitkäaikaiseen kehonsisäiseen käyttöön. 

– Pitkäaikaiseen kehonsisäiseen käyttöön ei voida käyttää akkuja. Niiden vaihtaminen ei ole käytännöllistä, ja bioyhteensopivuus on myös ongelma. Siksi teho siirretään langattomasti kehon ulkopuolelta implanttiin induktiivisten linkkien kautta.

Induktiiviset linkit siirtävät energiaa värähtelevien magneettikenttien avulla, jolloin teho voi kulkea kudoksen läpi ilman fyysistä kosketusta. Akramin tutkimus tarkastelee tämän tehon siirtämistä jaksoittain jatkuvan siirron sijaan varmistaen samalla, että SAR-raja-arvot eivät ylity (Specific Absorption Rate määrittelee, kuinka paljon sähkömagneettista energiaa ihmiskudos voi turvallisesti absorboida). 

– Emme lähetä tehoa jatkuvasti, vaan pulsseittain. Esimerkiksi 20 prosentin käyttöasteella se on aktiivinen vain lyhyen ajan, mutta energia riittää toimintaan myös pulssien välillä. Samalla meidän on varmistettava, että ratkaisu täyttää SAR-raja-arvot, minkä varmistamme sähkömagneettisilla simuloinneilla ennen kuin siirrymme piin toteutukseen. 

Implantin sisällä olevat mittauspiirit toimivat nanowattiluokan teholla. Tässä ympäristössä Akram kehitti potentiostaatin ihonalaiseen glukoosimittariin ilman analogisia vahvistimia. Potentiostaatti mittaa sähkökemiallisia signaaleja, jotka syntyvät glukoosin reagoidessa mittauselektrodin kanssa. 

– Tehobudjetti on äärimmäisen pieni – nanowatteja. Poistimme kaikki vahvistimet, joten koko arkkitehtuuri on vahvistinvapaa. Saavutimme 129 dB:n dynaamisen alueen kuluttaen alle neljä nanowattia.

Dynaaminen alue kuvaa pienimmän ja suurimman havaittavan signaalin välistä eroa. Elektroniikassa desibelit ilmaisevat signaalisuhteet. Esimerkiksi jokainen 20 desibelin lisäys vastaa kymmenkertaista muutosta. 

IPSS-laboratorio 

Akram kuvaa Tampereen yliopistoa hyvin sopivaksi ympäristöksi tutkimuksensa suunnalle. Hän pitää saatavilla olevaa käynnistystukea ja mahdollisuutta rekrytoida väitöskirjatutkijoita välttämättöminä tässä vaiheessa olevan tutkimusohjelman kannalta. 

Vaikka yliopistolla on vahva kansainvälinen maine esimerkiksi materiaalitekniikassa ja langattomissa viestintäteknologioissa, Akram näkee selkeän mahdollisuuden laajentaa sen jalansijaa globaalissa integroitujen piirien suunnitteluyhteisössä. Uuden ryhmän keskeinen tavoite on toteuttaa itsenäisiä laboratoriotason “tape-outeja”, eli piirisuunnittelun viimeistelyä ja toimittamista fyysiseen valmistukseen, ja edustaa Tampereen yliopistoa johtavissa IC-suunnittelukonferensseissa. 

IPSS-laboratorio rekrytoi parhaillaan ensimmäistä väitöskirjatutkijaansa  tavoitteenaan rakentaa ryhmä, joka työskentelee laboratorion neljän ohjaavan teeman parissa, kuten integroiti, teho, havainnointi ja järjestelmät. 

– Teho on se perustavanlaatuinen asia, joka on oleellinen kaikessa nykyaikaisessa elektroniikassa. Voit tehdä laitteesta nopean, voit tehdä siitä minkälaisen tahansa – mutta jos energiatehokkuutta ei ole ratkaistu, laite on lähes hyödytön.” 

Laboratorion toiminta kattaa aiheet tekoälylaitteistojen tehonsäätöpiireistä istutettaviin biosensoreihin; sovellukset eroavat toisistaan laajuudeltaan ja käyttötarkoitukseltaan, mutta niille kaikille on yhteistä sama perustavanlainen rajoite. Tämä jatkuvuus piiriarkkitehtuuritasolta järjestelmätasolle on se periaate, jolle IPSS rakentuu.