Nejmenší počítač na světě je menší než zrnko rýže
Už od dávných časů udivovali vyhlášení mistři řezbáři schopností vytvořit objekty tak maličké, že šly stěží vidět pouhým okem - světlo světa spatřily např. okované blechy, miniaturní sošky v rýžovém zrnku apod. K pozorování bylo často zapotřebí použít lupy, v moderní době dokonce už byly některé z nich viditelné jen pomocí mikroskopu. Kde jsou hranice miniaturizace?
Zatím však (až na tu blechu) šlo o pasivní objekty, ale nyní se podařilo vytvořit aktivní systém této velikosti. Jak daleko pokročily miniaturizované technologie ukázala Univerzita v Michiganu, která představila výsledek svého více než 10letého vývojového úsilí. Je jím Michigan Micro Mote (M3), funkční počítač menší než zrnko rýže, který aspiruje na nejmenší autonomní počítač, jaký byl kdy vyroben.
Co se vejde do 1 mm3?
Cílem tohoto projektu bylo, podle slov jeho účastníků, vytvořit nic menšího než komplexní senzorový a výpočetní uzel s možností bezdrátového snímání. Obsahovat by měl zobrazovač s nízkým rozlišením, paměťovou jednotku a zpracování signálu, čidlo teploty, vestavěný CMOS časovač, systém bezdrátové komunikace, zdroj či sběrač světelné (solární) energie, a to vše zapouzdřené v prostoru max. 1 mm3, a samozřejmě pokud možno levně.
Výsledkem byl návrh platformy „milimetrového” univerzálního uzlu s heterogenními snímači ve stohovatelné vícevrstvé struktuře, která zahrnuje nový I2C (Inter-Integrated Circuit) obvod s ultra nízkou spotřebou, rozhraní pro komunikaci mezi vrstvami, optický přijímač pro buzení, systém globální optické komunikace (GOC), který umožňuje přeprogramování nebo synchronizaci. Obsahuje i řídicí jednotku s velmi nízkou spotřebou (PMU (Power Management Unit), systém BOD (Brown-Out Detector) pro zabránění poruchám procesoru a poškození baterie, a také kontrolní POR (Power-On Reset) moduly v dalších vrstvách zajišťující reset ve správném pořadí, vestavěné zobrazovače (s rozlišením 160 x 160 px) a snímače teploty a tlaku. Modularita systému umožňuje snadno vyměnit nebo přidat vrstvy obsahující vhodné technologie či zavedení zvláštních obvodů podle potřeby. Informace o projektu byly představeny už v roce 2012 na konferenci ISSCC v San Francisku a nyní projekt dospěl do kýžené finální podoby. Nejde totiž už pouze o experimentální zařízení, prototyp či technologický demonstrátor, ale produkt ve fázi, kdy je připraven pro reálnou výrobu.
Zázrak moderní technologie s označením Michigan Micro Mote (M3), který je výsledkem 10letého úsilí výzkumníků, umožňuje přes své miniaturní rozměry pořizovat fotografie, detekovat okolní teplotu či tlak, monitorovat rádiovou komunikaci apod. Jeho malé rozměry nabízejí široké možnosti uplatnění v nejrůznějších oblastech - slibnou budoucnost by mohl nalézt především ve zdravotnictví (není problém jej vpravit přímo do lidského těla, odkud může odesílat informace o tlaku, teplotách či EKG), v průmyslu a s jeho využitím se počítá rovněž v segmentu označovaném jako internet věcí, kde může sehrát významnou roli v komunikaci mezi různými prvky, např. v rámci tzv. chytré domácnosti. V podstatě, jak konstatují jeho tvůrci, může být součástí čehokoliv, o čem chceme mít přehled.
Malé rozměry znamenají často velké problémy
Rozměry, které patří ke stěžejním výhodám tohoto zařízení znamenaly však zároveň i řadu problémů, které bylo nutno vyřešit. K těm hlavním, aby mohl počítač plnit svou roli, patřily zásobování energií a programování. Tedy jak zajistit jeho napájení, aby přes velmi nízkou spotřebu energie (použitý procesor Phoenix potřebuje v klidovém režimu pouze 500 pW energie) pokud možno nebyl závislý na baterii, která by komplikovala úsilí vědců o minimální rozměry, vyřešit jeho dobíjení a předávání potřebných informací. To vše se výzkumníkům z Michiganské univerzity podařilo vyřešit pomocí jediného prostředku: světla. Právě z něj si dokáže M3 získávat energii potřebnou ke svému provozu (podle tvůrců stačí i běžná úroveň osvětlení v místnosti), a informace přenášejí záblesky vysokofrekvenčního stroboskopu.
Klíčový průlom přinesl zejména miniaturní procesor Phoenix uvedený v roce 2008. Přesněji řečeno, jak zdůrazňuje vedoucí výzkumného týmu profesor David Blauuw, především jeho rozměry 915 x 915 µm, ultra nízké napájecí napětí a unikátní standby mód vyžadující průměrně pouze 500 pW (pro srovnání: 1 pW je průměrná spotřeba jedné buňky lidského těla).
Zásobování energií pro zařízení se spotřebou v pohotovostním režimu pouhé 2 nA obstarává solární destička o ploše 1 mm2. Pro představu: je to asi milionkrát méně, než spotřeba běžného mobilu v pohotovostním režimu, což odpovídá poměru mezi tloušťkou listu papíru a délkou fotbalového hřiště.
Michigan Micro Mote je tedy nyní prakticky připraven k výrobě, ale tím to ještě zdaleka nekončí - vývojáři už totiž připravují jeho následníka, a pracují na další generaci ještě menších počítačů. Ty by měly nést název, který symbolicky vyjadřuje jejich charakteristiku: „smart dust", nebolii chytrý prach.
497
