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ROHM研发:低功耗穿戴型生物感应技术
[作者 ROHM]   2014年12月23日 星期二 浏览人次: [7393]

主旨


半导体制造商ROHM株式会社与神户大学研究所专攻系统资讯学研技科资讯科学之吉本雅彦教授共同在NEDO企划之「常闭运算(Normally-Off Computing)基础技术研发」中,成功研发出适合于次世代穿戴型生物感应器之全球最低超低功耗技术。


本技术活用非挥发性记忆体,在未进行处理时,积极将电源关闭,以降低待机的功耗。必要时可立刻开启电源,采取「常闭型(normally-off)动作」,将功耗极小化。



图一
图一

使用本技术之穿戴型生物感应模组,是从体表些许的电位差异(心电图)取得心跳数。而且,可取得加速度感应器等数位输出的资讯,进行演算、记录。另外也搭载通讯功能,可从智慧型手机控制穿戴型生物感应器,来写入写出数据。耗电流38uA,与传统产品相比,可以1/5的低功耗及38uA的耗电流来实现这些动作。


ROHM已开始依照客户需求进行穿戴型人体感应器模组的共同研发。另外,因功耗仅传统产品的1/10,故今后亦研发与ROHM压电MEMS (微小电力机械系统) 装置配合、不需电池之穿戴型生物感应器。本研发成果在IEEE认定之国际学会BioCAS (2014.10.22-24: 瑞士) 已进行发表,预计也将在ASSCC (台湾2014.11.10-12) 发表。



图二
图二

背景

在智慧型手机或穿戴型装置等所有的电子装置中,追求将功耗控制在最小、使其长时间运作是永久课题。尤其是穿戴型装置必须要让使用者几乎忘记其存在,尽量将电池小型化并可长时间运作。


针对此课题,NEDO则是使用即使电源遮断数据、也不会遗失之非挥发性装置,在2011年开始进行以终极节能为目标之「常闭运算基础技术开发」企划,相关的企业、大学接受其援助进行研究。


当中ROHM与神户大学的吉本研究室将长年在ROHM有制品实绩之非挥发性记忆体 (FeRAM) 不挥发性逻辑技术活用至最大极限,研发出独家的常闭型技术。本次,则是将此技术用于使用ROHM0.13μm CMOS制程之穿戴型生物感应器。



图三
图三

达成最低功耗的节约功率法

实现以下3种节约功率的方式,达成最低功耗:


1.取得心跳数的功率仅传统方式的1/20


功耗较大的取得心跳类比部分,采适用新研发的抗杂讯性较佳之心跳波形取得演算法,且透过将部分置换成常闭数位处理,成功做到与传统相比,功耗大幅降为1/20。


2.将记忆体部分之平均功耗降至1/10以下


利用研发、搭载应用FeRAM之新构造的非挥发性RAM,成功大幅减少运作所须之待机电流。


3.逻辑部分之功耗减少至一半以下


将非挥发性逻辑应用于ARM Cortex-M0等数位电路区块常闭化,大幅降低了逻辑电路的功率。


低功耗技术适合于以下之应用:穿戴型生物感测器?桥梁等构造物之监视感测器?农业用感测器?能源采集电源对应LSI?带有参数调整之非挥发性功能的低功率LSI。


名词解释

*Normally-Off(常闭):将系统内真正在运作要素以外的电源积极遮断。即使遮断电源,也必须要有不会忘记系统状态或是数据之非挥发性记忆体等的装置。类似技术有「间歇动作」,但却有着不可让持续维持运作状态所必要之主构成要素之电源低下的课题。


*非挥发性装置:即使电源被遮断,亦能维持数据及状态的装置。非挥发性记忆体的代表有快闪记忆体或FeRAM、EEPROM。而挥发性记忆体则是有DRAM、SRAM。


*生物医学电路与系统会议(Biomedical Circuits and Systems Conference;BioCAS):为IEEE所认定之国际学会,进行先进生物、医学领域中革命性装置研发之发表与意见交换。今年即将届满10周年。


*亚洲固态电路研讨会(A-SSCC, Asian Solid-State Circuits Conference):为IEEE所认定之国际学会,在亚洲举办。在半导体领域中进行最新且高阶之产品、电路技术的发表与意见交换。


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