Gesucht für das Internet der Dinge: Computer in Ameisengröße

Wenn das Internet überall hinkommen soll – von den Tabletten, die Sie schlucken, bis zu den Schuhen an Ihren Füßen –, müssen Computer viel kleiner werden. Ein neuer Mikrochip, der zwei Millimeter im Quadrat groß ist und fast alle Komponenten eines funktionierenden winzigen Computers enthält, ist ein vielversprechender Anfang.

Mini-Computer: Der winzige KL02-Mikrocontroller von Freescale wurde entwickelt, um verschluckbare drahtlose Computer zu ermöglichen, und enthält einen energieeffizienten Prozessor, Arbeitsspeicher und RAM.

Der KL02-Chip , hergestellt von Freescale , ist auf jeder Seite kürzer als die meisten Ameisen lang sind und vollgestopft in Speicher, RAM, Prozessor und mehr. Die Entstehung des Chips war ein Kunde, der um Hilfe bat, ein drahtloses Gerät zu entwickeln, das klein genug ist, um leicht verschluckt zu werden, und billig genug, um als verdaulich angesehen zu werden. Freescale bietet den Chip jetzt zum allgemeinen Verkauf an und startet außerdem einen Forschungs- und Entwicklungsschub, um noch mehr winzige Computer zu entwickeln, die auch Sensoren und drahtlose Datenverbindungen enthalten.

Beim Internet der Dinge geht es letztendlich um Dienste, wie etwa Ihr Thermostat, der sich mit dem Internet verbindet und weiß, wann Sie nach Hause kommen, sagt Kaivan Karimi, Director of Global Strategy for Microcontrollers bei Freescale, aber die Technologie, auf der diese [Dienste] basieren, ist eingebettet Verarbeitung und Sensoren.

Wenn vernetzte Sensoren um uns herum weltweit verbreitet werden sollen, müssen diese Technologien in Größe, Stromverbrauch und Preis schrumpfen, sagt Karimi. Freescale setzt darauf, dass eine der besten Möglichkeiten, dies zu erreichen, darin besteht, Komponenten wie Prozessoren, Speicher, Sensoren, Funkgeräte und Antennen, die normalerweise auf einer Leiterplatte angeordnet sind, in einen einzigen Chip zu integrieren.

Freescale wird den KL02 und einige etwas größere Mikrocontroller mit integrierter Zigbee- oder Low-Power-Bluetooth-Funktion noch in diesem Jahr anbieten. Die drahtlose Konnektivität wird hinzugefügt, indem den aktuellen Designs der Mut eines Funkchips hinzugefügt wird. Das Unternehmen arbeitet auch daran, die Technologie zum Verpacken von Chips und anderen Komponenten gemeinsam zu verfeinern, um viele weitere Computer im Millimeterbereich zu ermöglichen.

All diese heterogenen Dinge müssen zusammenkommen und integriert werden, sagt Karimi, aber wir müssen herausfinden, wie diese Komponenten nebeneinander existieren können, ohne ihre Leistung zu beeinträchtigen.

Das Zusammenbringen von Sensoren und anderen Komponenten stellt eine Herausforderung dar, da sie jeweils ihre eigene Art von elektronischem Rauschen erzeugen, das die Funktion anderer Komponenten beeinträchtigen kann. Es ist ein Bereich der Chiptechnik, der plötzlich wichtiger ist als Rechenleistung, sagt Karimi. Es ist eine Verpackungsübung, kein Problem des Mooreschen Gesetzes, und die ultimative miniaturisierte Version erfordert andere Verpackungstechnologien als die, die wir in der Vergangenheit verwendet haben.

Eine Herausforderung beim Design kompakter Chips besteht darin, dass Flash-Speicher, wie sie in Smartphones zu finden sind, Funkchips stören. In Chips, die zu klein sind, um das Problem zu vermeiden, entwickeln die Ingenieure von Freescale winzige Faraday-Käfige um den Speicher herum, um dieses elektronische Rauschen einzuschließen.

Freescale setzt darauf, dass eine weitgehend selbst entwickelte Technologie namens Redistributive Chip Packaging (RCP) es ermöglichen wird, ähnliche Probleme zu überwinden. Es wird seit einigen Jahren in Verteidigungssystemen verwendet, die eine sehr kompakte Elektronik benötigen, die extremer Hitze und Druck standhält. Es ist keine futuristische Technologie, denn Teile davon gibt es in sehr spezifischen Anwendungen, sagt Karimi. Es ermöglicht Verpackungen mit einer sehr kleinen Stellfläche, und wir werden sehen, wie diese Technologie in Verbraucher-, Industrie- und Automobilanwendungen migriert wird.

RCP ermöglicht auch das Stapeln von Komponenten und Chips; Eine Möglichkeit, die untersucht wird, besteht darin, Antennen sowie Funkschaltkreise mit dem Verfahren in Chips zu integrieren.

Solche Wafer-Scale-Verpackungen nähern sich den Designpunkten von „Smart Dust“, sagt Prabal Dutta , einem Assistenzprofessor an der University of Michigan, und bezog sich auf die Idee, dass sehr billige, winzige Sensoren schließlich wie Staub verstreut werden könnten, um Daten zu sammeln.

Dutta weist jedoch darauf hin, dass Verpackungen allein nicht alle Probleme bei der Herstellung winziger, multifunktionaler Computer lösen können, und sagt, dass an den zusammengepackten Komponenten gearbeitet werden muss. Alle Systemkomponenten – Sensorik, Computer, drahtlose Kommunikation, Datenspeicherung und Stromumwandlung – müssen sorgfältig geprüft werden, sagt Dutta, wobei der Stromverbrauch eine besondere Herausforderung darstellt. Da die Länge eines [Miniaturcomputers] kleiner wird, sinkt sein Volumen kubisch, was bedeutet, dass die Batteriekapazität schnell sinkt, weist er darauf hin – ein Problem, mit dem Dutta bei seinem Projekt konfrontiert ist, mit Funkgeräten ausgestattete Sensoren von nur einem Kubikmillimeter Größe zu entwickeln.

Karimi stimmt zu, dass Batterien ein Problem sind, und sagt, dass Freescale mit Partnern zusammenarbeitet, um energiesparende Komponenten zu entwickeln – von Wärme, Funkwellen oder Licht –, die sehr kleine Geräte antreiben könnten.

Freescale ist nicht der einzige Chiphersteller, der in der Lieferung von Chips für eine neue Welle von Sensoren und anderen winzigen Computern, die Daten ins Internet einspeisen, potenzielle Gewinne sieht. Der KL02-Chip des Unternehmens basiert auf einem Design von ARM letztes Jahr angekündigt als der energieeffizienteste Mikroprozessor der Welt, den auch andere Unternehmen lizenzieren. Allerdings, so Karimi, ist die für Freescales Ambitionen entscheidende RCP-Verpackungstechnologie durch Patente geschützt.

Aktualisiert am 29.05.2013
In der Originalversion dieses Artikels hieß es, dass Freescale noch in diesem Jahr Wi-Fi zu seinen kompakten Chips hinzufügen wird. Tatsächlich sollen andere drahtlose Technologien hinzugefügt werden, die das gleiche Frequenzband verwenden, aber mit geringerem Stromverbrauch.

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