Científicos desarrollan chips con capacidades de “auto-reparación”.
Un equipo de ingenieros del Instituto de Tecnología de California (Caltech), en EE.UU., ha desarrollado por primera vez chips con capacidades ‘auto-curativas’ o de autorreparación, lo que constituye un avance pionero hacia la electrónica regenerable. Los chips de un teléfono inteligente o de una computadora podrán en un futuro próximo arreglarse solos, pudiendo detectar fallos en su funcionamiento y recuperarse en microsegundos. Hasta ahora, podía bastar un desperfecto en un chip para dejarlos del todo inservibles.
Imaginen que los chips de su teléfono inteligente o computadora tuvieran la capacidad de repararse y protegerse a sí mismos sobre la marcha, recuperándose en microsegundos de problemas que podrían ir desde un suministro eléctrico inadecuado de la batería, hasta el fallo total de un transistor. Esto puede parecer como de ciencia ficción, pero un equipo de ingenieros del Instituto Tecnológico de California (Caltech) en Pasadena ya ha conseguido desarrollar esa clase de chips dotados con la capacidad de autorreparación, en lo que constituye un avance pionero hacia la electrónica regenerable.
El equipo, formado por miembros del Laboratorio de Circuitos Integrados de Alta Velocidad en la división de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Caltech, autores de la investigación, ha demostrado esta capacidad de autorreparación en pequeños amplificadores de potencia. Los amplificadores son tan pequeños, que efectivamente 76 chips, incluido el sistema de autoregeneración, pueden caber en un solo centavo.
Quizás en el más dramático de los experimentos, el equipo de investigación tuvo que destruir varios chips disparándoles repetidamente con un láser de gran potencia, para observar luego como estos chips destruidos se regeneraban de forma automática desarrollando una solución temporal en menos de un segundo.
“Fue increíble cuando por primera vez se ejecutó el sistema y los chips se regeneraron automáticamente por sí mismos. Me sentí como si estuviéramos presenciando el paso siguiente en la evolución de los circuitos integrados”, dice Ali Hajimiri, profesor del Thomas G. Myers de Ingeniería Eléctrica en Caltech. “Habíamos literalmente arruinado la mitad de los amplificadores y vaporizado muchos de sus componentes, tales como los transistores, y así con todo el sistema se recuperó autorreparándose hasta lograr un rendimiento óptimo.”
Los resultados del equipo de investigación aparecen en la edición de marzo de la revista científica IEEE Transactions en Microwave Theory and Techniques.
Los ingenieros de Caltech intencionadamente inflingieron daños al amplificador de potencia de autorreparación, efectuando para tal fin repetidos disparos de un láser de alta potencia. El chip fue capaz de autorrepararse completamente del transistor destruido. Esta imagen fue capturada con un microscopio de barrido electrónico. Créditos: Jeff Chang y Kaushik Dasgupta.
Hasta ahora, ni uno solo de los chips de circuitos integrados destruidos y autorreparados ha presentado fallos. Los ingenieros de Caltech han dotado a los chips de circuitos integrados de una capacidad de autorreparación similar a la de nuestro propio sistema inmunitario, capaz de detectar y responder rápidamente a cualquier número de agresiones posibles con la finalidad de mantener el sistema en el más amplio y óptimo modo de trabajo.
El amplificador de potencia que idearon los investigadores emplea una multitud de estructuras sólidas, sensores -dentro del chip- que controlan la temperatura, corriente, tensión y potencia. La información de estos sensores se almacenan en una aplicación específica del circuito integrado (ASIC) una unidad en el mismo chip, un procesador central que actúa como el “cerebro” del sistema. El cerebro analiza el rendimiento general del amplificador y determina si se necesita ajustar cualquiera de los actuadores que participan en el sistema.
Curiosamente, el cerebro del chip no funciona basado en algoritmos que saben cómo responder a cada situación posible. En su lugar, extrae conclusiones sobre la base de la respuesta global de los sensores. “Usted configura el chip para los resultados que quiere y deja que éste encuentre la manera de producir estos resultados”, dice Steven Bowers, un estudiante graduado en el laboratorio de Hajimiri y autor principal del nuevo estudio.
“El desafío es que hay más de 100 000 transistores en cada chip. No podemos saber todas las cosas que podrían salir mal, y no hace falta. Hemos diseñado el sistema de una manera bastante general para que el mismo sistema encuentre el estado óptimo para todos los actuadores en cualquier situación sin intervención humana externa”.
Observando 20 chips diferentes, el equipo de investigación encontró que los amplificadores con capacidad de autorreparación consumían alrededor de la mitad de energía que los que no tenían esa capacidad, y su desempeño general era mucho más predecible y reproducible. “Hemos demostrado que la autorreparación aborda cuatro clases muy diferentes de problemas”, dice Kaushik Dasgupta, otro estudiante graduado que también está trabajando en el proyecto.
Las clases de problemas incluyen la variante estática que es un producto de la variación a través de los componentes; los problemas de envejecimiento a largo plazo que surgen gradualmente como repetidos cambios de uso de las propiedades internas del sistema, y ??variaciones a corto plazo que son inducidas por condiciones ambientales tales como cambios en la carga, temperatura, y diferencias en la tensión de alimentación y, finalmente, la destrucción catastrófica accidental o deliberada de partes de los circuitos.
El equipo de investigadores de Caltech decidió demostrar esta capacidad de autorreparación por primera vez en un amplificador de potencia para frecuencias de ondas milimétricas. Estos chips integrados de alta frecuencia están a la vanguardia de la investigación y son útiles para la próxima generación de comunicaciones, imágenes, sensores y aplicaciones de radar.
Al mostrar que la capacidad de autorreparación funciona bien en un sistema tan avanzado, los investigadores esperan mostrar que el enfoque de autorreparación pueda ser extendido a prácticamente cualquier otro sistema electrónico.
“Llevar este tipo de sistema inmune electrónico para chips de circuito integrado abre un mundo de posibilidades”, dice Hajimiri. “Es realmente un cambio en la manera de ver los circuitos y sus capacidades para operar independientemente. Ahora los chips pueden diagnosticarse y solucionar sus propios problemas sin ninguna intervención humana, así avanzamos un paso más cerca de los circuitos indestructibles”.
Conjuntamente con Hajimiri, Bowers y Dasgupta, el ex becario postdoctoral Caltech Kaushik Sengupta (PhD ’12), quien es ahora profesor asistente en la Universidad de Princeton, también co-autor del artículo, “Autorreparador integrado para amplificadores de potencia de ondas milimétricas”.
Un informe preliminar de este artículo ganó el premio al mejor trabajo de investigación en el Simposio de Circuitos Integrados de Radio Frecuencia IEEE 2012. El trabajo fue financiado por la Defense Advanced Research Projects Agency y el Air Force Research Laboratory.
(Publicación del artículo de investigación)
IEEExplore - Microwave Theory and Techniques
“Autorreparador integrado para amplificadores de potencia de ondas milimétricas”
Resumen:
La autorreparación como una técnica para mejorar el rendimiento y producción de los amplificadores de potencia de ondas milimétricas (PAs) frente a la variación del proceso y desfase del transistor, el desajuste de la impedancia de carga, y el parcial o total fallo del transistor, se ha descrito e investigado en el presente artículo.
Un amplificador de potencia 28-GHz se presenta con tres tipos de sensores, dos tipos de actuadores, convertidores de datos, y un bloque de algoritmo digital que están integrados en un solo chip para mostrar la validez de la técnica.
Dos algoritmos están implementados para maximizar cualquier potencia de salida o para minimizar la potencia de corriente directa para una potencia de salida deseada. Las mediciones de 20 chips muestran un aumento de potencia de salida RF de hasta 3 dB o potencia reducida de corriente directa, al 50% en backoff con una carga de 50-.
La autorreparación con un máximo de tensión 4-1 de onda estacionaria relacionada con el desfase de impedancia de carga es verificada y el funcionamiento lineal de la modulación envolvente no constante está demostrando que mejora con la regeneración.
La autoregeneración después de una falla del transistor inducida por un corte láser es verificada y se incrementa la potencia de salida RF a 5,4 dB.
El rendimiento agregado del amplificador de potencia a través de varias especificaciones representativas está incrementado con la autorreparación desde 0% a 80% .
Más información:
No hay comentarios:
Publicar un comentario