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新型微控制单元:利用自旋电子学实现高性能与低功耗!

2019-02-28    来源:中国节能网
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[ 导读 ]:微控制单元(MCU),又称单片微型计算机或者单片机。简单说,微控制单元就是在单个芯片上,集成计算机的各个部件,例如处理器、存储器、多种I/O接口,形成芯片级别的计算机。
 背景
微控制单元(MCU),又称单片微型计算机或者单片机。简单说,微控制单元就是在单个芯片上,集成计算机的各个部件,例如处理器、存储器、多种I/O接口,形成芯片级别的计算机。
 
英特尔8051芯片的微架构(图片来源:维基百科)
 
单个芯片上集成的功能与组件,可根据不同应用场景进行裁剪。如今,我们身边随处可见微控制单元的身影,例如手机、工业设备、机器人、汽车电子等。随着物联网(IoT)蓬勃发展,微控制单元也成为了许多物联网设备的关键元件。
 
 
 
可是,许多物联网设备对于供电的要求都非常严格,例如分布在桥梁或隧道中检测位移形变的传感器节点,它们的数量非常庞大,只能依靠电池供电,要求电池具有很长的续航时间。因此,为了适应这些传感器节点,微控制单元就需要具备低功耗、高性能。传感器节点提取和采集的信息,需要经过微控制单元处理之后,再传输至基于云的数据中心。
世界各国的科学家们一直都在积极为传感器节点研发各种低功耗的微控制单元。可是,迄今为止,他们所期望的运行速度、信号处理吞吐量以及低功耗,一直都没有得到很好的实现。
 
之前制造的MCU与这项工作的性能对比(图片来源:日本东北大学)
 
创新
近日,日本东北大学的研究人员们宣布,他们开发出一种非易失性的微控制单元,这种微控制单元利用基于自旋电子学的超大规模集成电路(VLSI)设计技术,同时实现了高性能和超低功耗。
 
制造成的微处理单元芯片的图片(图片来源:IEEE)
 
该研究团队由Tetsuo Endoh 教授、Takahiro Hanyu 教授、Masanori Natsui 副教授领导。
技术
在新开发的基于自旋电子学的微控制单元中,所有的模块都是采用自旋电子学设备制作,具有非易失性。此外,独立控制每个模块供电的方式完全避免了功耗的浪费。
 
基于自旋电子学的非易失性MCU的超低功耗表现(图片来源:日本东北大学)
 
此外,一个可加速整个系统的存储控制器,缓解了逻辑器件与存储器件之间的数据传输瓶颈问题。一个可重新配置的加速器模块加入进来,用于执行应用程序特定的信号处理任务。这些变化使得微控制单元,在200MHz的高速运行频率下,实现了47.14μW的超低功耗。制造成的芯片的测量结果确认了这一成果。
价值
对于通过采集能量供电(从外部能量源例如太阳能和热能获取能量)的高功能物联网传感器节点来说,这个微控制单元芯片提供了世界上最高的处理性能和能量效率。
 
关键词: 计算机 节能 物联网
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