Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка энергоэффективных функциональных блоков для наноэлектронных устройств и систем с автономным питанием

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
наноэлектронные устройства и системы, библиотечные элементы, функциональные блоки, ультранизкая потребляемая мощность, энергоэффективность, альтернативное питание, солнечный и искусственный свет, механическая энергия, беспроводные сенсорные сети

Цель проекта:
1. Проект направлен на решение задачи создания наноэлектронных устройств и систем с автономным питанием, с использованием функциональных блоков и наноэлектронных модулей с пониженной потребляемой мощностью. 2. Цель проекта - Создание энергоэффективных функциональных блоков для наносистемной техники с источниками энергии из окружающей среды.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Основные планируемые результаты. В рамках проекта планируется разработать:
- макеты энергоэффективных библиотечных элементов;
- макеты функциональных блоков;
- экспериментальных образцы конверторов с питанием от вибрации;
- макеты беспроводных сенсорных и мобильных устройств для наносистемной техники с источниками энергии из окружающей среды.
2. Основные характеристики планируемых результатов:
- предельная сложность функциональных блоков: до уровня блока обработки данных (например, микроконтроллера) разрядностью 16 бит, выполняющего основные арифметические и логические операции;
- разработка энергоэффективных библиотечных элементов и функциональных блоков должна проводиться на базе коммерческих КМОП технологий;
- должна обеспечиваться адекватность измерений, моделирования, анализа и проектирования библиотечных элементов и функциональных блоков для проектных норм с минимальными топологическими нормами до 65нм.
- созданные энергоэффективные библиотечные элементы и функциональные блоки должны работать при пониженном напряжении питания, обладать ультранизким потреблением мощности и иметь задержку переключения в субнаносекундном диапазоне;
- форматы информационных представлений описаний библиотечных элементов и функциональных блоков должны соответствовать стандартам САПР проектирования СБИС;
- преобразователь механической энергии в электрическую строится с использованием пьезоэлектрического эффекта

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
В рамках ПНИ осуществлено комплексное исследование способов питания наноэлектронных устройств за счет сбора энергии из окружающей среды, включая солнечный свет, тепло, вибрация, внешнее электромагнитное излучение и т.д. Определены и формализованы требования к таким источниками питания для построения работоспособных устройств, а также технические ограничения для наноэлектронных устройств при использовании альтернативного питания.
Наноэлектронный модуль с питанием от вибрации может представлять из себя один или несколько функциональных блоков (например, блоки обработки данных, микроконтроллер, цифровая часть, внутрикристальная память, интерфейсная часть, блок беспроводной системы связи) и конвертор для преобразования механической энергии в электрическую с дополнительными схемами согласования уровней сигнала.
Для решения поставленной в рамках ПНИ проблемы были определены два возможных направления: снижение мощности, потребляемой наноэлектронными устройствами, и разработка наноэлектронных устройств и систем с новыми источниками питания из окружающей среды. Однако наибольшую эффективность показала комбинация двух подходов. В рамках ПНИ были разработаны макеты функциональных блоков, позволяющие реализовать на одной ИС схемы преобразования питания, временного хранения энергии, схему управления питанием и цифровое вычислительное ядро. Разработанные экспериментальные образцы конверторов позволили исследовать технические характеристики альтернативных источников питания для наноэлектронных устройств.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1. Научно-технические результаты, полученные в ходе выполнения данного проекта, могут быть использованы для проведения дальнейших исследований и разработок по следующим перспективным направлениям:
- технология создания малогабаритных вычислительных комплексов;
- системное и программное обеспечение для новых высокопроизводительных систем;
- построение математических (ММ) и имитационных (ИМ) моделей, адаптация их к различным областям развития;
- разработка накопителей энергии различного типа;
- поиск путей и методов прямого преобразования механической, тепловой, световой и химической энергии в электрическую;
2. Описание практического внедрения.
В качестве основных потребителей полученных научно-технических результатов можно выделить университеты, научные, исследовательские центры и лаборатории, предприятия электроники, проектные организации, предприятия-изготовители интегральных микросхем, предприятия ТВЗ «Зеленоград», Зеленоградский инновационно-технологический центр.
Научно-технические результаты могут быть использованы при проведении исследовательских и проектных работ, проведении ОТР и ОКР, проведении учебного процесса.
3. Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений
- улучшение потребительских свойств существующей продукции (уменьшение веса, габаритов, периодичности обслуживания; простота эксплуатации, уменьшение энергопотребления; возможность отказа от стандартного электрического источника питания);
- улучшение экологической обстановки (снижение техногенной нагрузки на окружающую среду за счет отказа от использования и утилизации химических источников энергии);
- улучшение качества жизни и здоровья населения за счет внедрения наноэлектронных технологий;
- повышение конкурентоспособности продукции (уменьшение мощности, потребляемой библиотечными элементами и функциональными блоками позволит существенно снизить энергопотребление наноэлектронных модулей в сравнении с известными аналогами, что обеспечит конкурентоспособность как на внутреннем, так и на внешнем рынках).

Текущие результаты проекта:
В 2015 году выполнены 2 и 3 этапы работ: Теоретические и экспериментальные исследования поставленных перед ПНИ задач. Обобщение и оценка результатов исследований. В рамках исследований были получены следующие результаты:
1. Разработка программного обеспечения для: физико-структурного моделирования компонентов; функционально-логического моделирования энергоэффективных БЭ; экстракции параметров моделей.
2. Разработка макромоделей технических решений, включая функционально-логические макромодели энергоэффективных БЭ, конверторов энергии, функциональных блоков (разного функционального назначения), наноэлектронных модулей.
3. Выполнено моделирование объекта исследований с использованием САПР ведущих мировых производителей.
4. Разработана ЭКД на макеты энергоэффективных библиотечных элементов, функциональных блоков и наноэлектронных модулей, а также на экспериментальные образцы конверторов.
5. Изготовлены макеты и экспериментальные образцы и проведены исследовательские испытания.
6. Разработаны: проект ТЗ на ОКР, а также рекомендации и предложения по внедрению результатов проведенных ПНИ в реальном секторе экономики.
Проведенные испытания показали, что разработанные технические решения находятся на сравнимом с мировым уровне развития техники и обеспечивают возможность использования альтернативных источников энергии на основе преобразования энергии вибраций для питания сенсорных электронных устройств. Разработанные образцы конверторов обеспечивают выходную мощность в диапазоне 20-90 мкВт, при частоте вибраций 42-50 Гц и постоянном выходном напряжении на уровне 1.1-1.5 В.
Опубликовано 4 научные статьи и поданы 2 заявки на получение охранных документов на интеллектуальную собственность.