全球功耗最低之穿戴式生物感應技術

2014年12月24日

<主旨>
半導體製造商ROHM株式會社 (總公司:日本京都市) 與神戶大學研究所專攻系統資訊學研技科資訊科學之吉本雅彥教授共同在NEDO企劃之「常閉運算(Normally-Off Computing)基礎技術研發」中,成功研發出最適合於次世代穿戴式生物感應器之全球最低超低功耗技術。
本技術活用非揮發性記憶體,在未進行處理時,積極將電源關閉,以降低待機的功耗。必要時可立刻開啟電源,採取「常閉型 (normally-off) 動作」,將功耗極小化。
使用本技術之穿戴式生物感應模組,是從體表些許的電位差異(心電圖)取得心跳數(世界最低※6µA)。而且,可取得加速度感應器等數位輸出的資訊,進行演算、記錄。另外也搭載通訊功能,可從智慧型手機控制穿戴式生物感應器,來寫入寫出數據。耗電流38µA,與傳統產品相比,可以1/5的低功耗及38µA的耗電流來實現這些動作。
ROHM已開始依照客戶需求進行穿戴式人體感應器模組的共同研發。另外,因功耗僅傳統產品的1/10,故今後亦研發與ROHM壓電MEMS (微小功率機械系統) 裝置配合、免電池之穿戴式生物感應器。本研發成果在IEEE認定之國際學會BioCAS (2014.10.22-24: 瑞士) 已進行發表,預計也將在ASSCC (台灣2014.11.10-12) 發表。
※2014年11月10日現在ROHM調查

<背景>
在智慧型手機或穿戴式裝置等所有的電子裝置中,追求將功耗控制在最小、使其長時間運作是永久課題。尤其是穿戴式裝置必須要讓使用者幾乎忘記其存在,盡量將電池小型化並可長時間運作。
針對此課題,NEDO則是使用即使電源遮斷數據、也不會遺失之非揮發性裝置,在2011年開始進行以終極節能為目標之「常閉運算基礎技術開發」企劃,相關的企業、大學接受其援助進行研究。
當中ROHM與神戶大學的吉本研究室將長年在ROHM有製品實績之非揮發性記憶體 (FeRAM) 不揮發性邏輯技術活用至最大極限,研發出獨家的常閉型技術。本次,則是將此技術用於使用ROHM0.13µm CMOS製程之穿戴式生物感應器。

「常閉型」導入前後比較 line
穿戴式生物感測器模組 功耗構成比

<各面向追求極致、達到全球最低功耗>
實現以下3種節約功率的方式,達成全球最低之功耗。常閉型運作將功耗降至極低

① 取得心跳數的功率僅傳統方式的1/20
功耗較大的取得心跳類比部分,採適用新研發的抗雜訊性較佳之心跳波形取得演算法,且透過將部分置換成常閉數位處理,成功做到與傳統相比,功耗大幅降為1/20。

② 將記憶體部分之平均功耗降至1/10以下
利用研發、搭載應用FeRAM之新構造的非揮發性RAM,成功大幅減少運作所須之待機電流。

③ 邏輯部分之功耗減少至一半以下
將非揮發性邏輯應用於ARM Cortex-M0等數位電路區塊常閉化,大幅降低了邏輯電路的功率。

<應用例>
全球最小之功耗技術最適合於以下之應用。

  • 穿戴型生物感測器
  • 橋樑等構造物之監視感測器
  • 農業用感測器
  • 能源採集電源對應LSI
  • 帶有參數調整之非揮發性功能的低功率LSI

智慧型健康腕帶

<名詞解釋>

  • Normally-Off(常閉)
    將系統內真正在運作要素以外的電源積極遮斷。即使遮斷電源,也必須要有不會忘記系統狀態或是數據之非揮發性記憶體等的裝置。
    類似技術有「間歇動作」,但卻有著不可讓持續維持運作狀態所必要之主構成要素之電源低下的課題。
  • 非揮發性裝置
    即使電源被遮斷,亦能維持數據及狀態的裝置。非揮發性記憶體的代表有快閃記憶體或FeRAM、EEPROM。而揮發性記憶體則是有DRAM、SRAM。
  • 生物醫學電路與系統會議(Biomedical Circuits and Systems Conference,簡稱BioCAS)
    為IEEE所認定之國際學會,進行先進生物、醫學領域中革命性裝置研發之發表與意見交換。今年即將屆滿10周年。
  • 亞洲固態電路研討會(A-SSCC, Asian Solid-State Circuits Conference)
    為IEEE所認定之國際學會,在亞洲舉辦。在半導體領域中進行最新且高階之產品、電路技術的發表與意見交換。

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