El empequeñecimiento de la electrónica permite crear dispositivos más potentes en paquetes más pequeños, y la mejor evidencia de ello son los sistemas informáticos modernos. Los primeros modelos de computadoras ocupaban plantas enteras de edificios, de forma similar a los sistemas de supercomputación actuales, pero aunque el tamaño de estos supercomputadores no cambia, la cantidad de datos que pueden procesar ha aumentado de forma exponencial. Pero la reducción de los componentes electrónicos no solo permite que los dispositivos de este tipo sean más potentes, sino también que reduzcan su tamaño.
Los dispositivos que se pueden reducir de tamaño los hacen más prácticos desde el punto de vista del consumidor, y un buen estudio de caso son los auriculares. Los primeros auriculares eran grandes y aparatosos, lo que los hacía poco prácticos de llevar. A medida que la tecnología mejoró, los auriculares fueron reduciendo su tamaño hasta que pudieron ajustarse con comodidad a los oídos. Ahora, ha evolucionado tanto, que estos dispositivos intraauriculares pueden ser inalámbricos.
Disminuir el tamaño de los aparatos electrónicos es más que hacer que los componentes sean más pequeños; la fuente de energía de los dispositivos también se debe reducir. Esto nos lleva a una interrogante con respecto a las fuentes de energía: ¿Al reducir el tamaño de una fuente de poder, se reduce la cantidad de energía que puede almacenar? Por tanto, los diseñadores de dispositivos electrónicos suelen jugar al gato y al ratón con la electrónica moderna, ya que necesitan reducir la fuente de poder y, al mismo tiempo, minimizar el consumo de energía del dispositivo para mantener el tiempo de funcionamiento de la batería.
Entonces, ¿qué pueden hacer los diseñadores en el futuro para crear dispositivos aún más pequeños, y qué pueden hacer ahora mientras se siguen desarrollando estas tecnologías?
Tecnologías de baterías
Los diseñadores tienen a su disposición un sinnúmero de tecnologías de baterías, pero solo una sigue siendo viable para los dispositivos pequeños y portátiles: la de iones de litio (Li-ion). La tecnología actual de iones de litio permite obtener baterías con una alta densidad energética que se pueden cargar con rapidez. Esto permite diseñar baterías de iones de litio mucho más pequeñas en comparación con otras tecnologías (como las alcalinas y las de plomo-ácido); sin embargo, esto tiene un precio.
De iones de litio
Las baterías de iones de litio requieren múltiples sistemas de seguridad, ya que se dañan con facilidad. Cuando esto ocurre, el resultado puede ser en extremo violento. Cuando las baterías de iones de litio están perforadas o dañadas, casi siempre generan un cortocircuito interno entre sus electrodos. Este cortocircuito es de gran tamaño y, a su vez, genera gas hidrógeno y fuego. Como consecuencia, la batería se hincha, expulsa el hidrógeno y se incendia. El fuego puede dañar todo lo que se encuentre a su alrededor, así como provocar otros incendios en otras baterías.
De estado sólido
Las baterías de estado sólido son una nueva tecnología en desarrollo que podría sustituir con mucha facilidad a las actuales baterías de iones de litio (que utilizan un electrolito líquido). Como su nombre lo indica, las baterías de estado sólido están hechas por completo de materiales sólidos. Esto las hace mucho más resistentes a los daños y a los cortocircuitos internos. Es más, los investigadores creen que las baterías de estado sólido son más seguras, capaces de almacenar más energía y, por tanto, permitirían crear baterías más pequeñas.
Sin embargo, las baterías de estado sólido no están exentas de defectos. Un fallo importante es la formación de dendritas internas. Las baterías de litio de estado sólido son propensas a formar pequeños cristales en sus ánodos que avanzan hacia el cátodo (denominado dendrita). Si este cristal entra en contacto con el cátodo, la batería entra en cortocircuito y deja de funcionar.
Supercapacitores
Los supercapacitores son otra opción que podría suministrar energía a los dispositivos del futuro, gracias a su capacidad de almacenar grandes cantidades de energía a bajas tensiones. Además, estos se pueden cargar y descargar con extrema rapidez, lo que los hace ideales para sistemas que necesitan funciones de carga rápida, o que necesitan almacenar de forma repentina grandes cantidades de energía (como un sistema de frenado regenerativo).
Sin embargo, el problema de los supercapacitores es que esta tecnología no puede almacenar energía a la misma escala que la mayoría de las tecnologías de baterías. Por tanto, es posible que no pueda proporcionar un almacenamiento de energía a largo plazo para dispositivos de gran potencia. Además, el hecho de que se descargue rápido también plantea problemas de seguridad con la posibilidad de que se produzcan chispas a causa de un cortocircuito.
Fuentes de energía alternativas
Las baterías almacenan energía, pero generarla sobre la marcha puede ser mucho más ventajoso, ya que los operadores de los dispositivos no necesitan recordar cargarlos y esta tecnología puede instalarse a distancia y lejos de cualquier fuente de energía, además de proporcionar una mayor seguridad.
Solares
Las pequeñas celdas solares se encuentran por lo general en las calculadoras, que pueden funcionar fácilmente, tanto con la luz del día como con la de una oficina. Aunque no son capaces de generar suficiente energía para dispositivos inteligentes o computadoras portátiles, se pueden utilizar sin problemas para alimentar dispositivos más pequeños, como sensores IoT y relojes deportivos de pulsera. Pero a largo plazo, no espere que las tecnologías solares alimenten nada que necesite más de 1 W de energía.
De hidrógeno comprimido
El hidrógeno comprimido podría ser otra solución de almacenamiento de energía para el futuro. Si el hidrógeno y el oxígeno se hacen pasar por una membrana especial de intercambio de protones, se puede lograr que generen electricidad de forma directa. Esto crea un proceso altamente eficiente que puede aprovechar la densidad energética que ofrece el hidrógeno. Sin embargo, el almacenamiento de hidrógeno comprimido, incluso en un pequeño dispositivo portátil, plantea problemas de seguridad similares a los asociados a las baterías de iones de litio. Por otra parte, es difícil minimizar el tamaño de estas celdas de combustible, por lo que podría no ser una fuente de energía viable hasta dentro de varias décadas.
La energía térmica
La energía térmica se puede convertir directamente en energía eléctrica a través del efecto Peltier. Los investigadores han logrado crear fuentes de energía que se pueden llevar como un anillo en el dedo, y la diferencia de temperatura entre el aire y el cuerpo es suficiente para crear electricidad. Sin embargo, los generadores Peltier son notoriamente ineficientes, y estos dispositivos solo funcionan de forma eficaz con una gran diferencia de temperatura (unos 80 ˚C).
La radiación
Otra futura fuente de energía es la radiación, y los investigadores han diseñado posibles baterías de diamante que convierten de forma directa la desintegración radiactiva en electricidad. Una batería diseñada con esta tecnología podría ser pequeña y proporcionar energía durante generaciones sin necesidad de recargarla. Sin embargo, esta fuente de poder proporcionaría cantidades ínfimas de energía (nanovatios). También supone un peligro potencial para el medioambiente.
Técnicas de reducción del consumo de energía
Para los diseñadores que hoy buscan crear dispositivos más pequeños, solo se pueden utilizar tecnologías de baterías que hayan sido probadas, y eso significa, casi con toda seguridad, el uso de iones de litio. Sin embargo, no todo es negativo, ya que estas baterías se pueden adquirir en tamaños muy reducidos. El truco consiste en encontrar la manera de reducir el consumo de energía de un dispositivo tanto como sea posible para poder prolongar el tiempo de funcionamiento de la batería.
La energía es la energía y es totalmente independiente del tiempo
La primera regla que deben entender los diseñadores es que la energía no tiene nada que ver con el tiempo. Un dispositivo puede utilizar una gran cantidad de energía durante un corto período de tiempo, o una cantidad muy pequeña de esta durante mucho tiempo, y en general, el dispositivo podría utilizar exactamente la misma cantidad de potencia.
Este concepto se puede utilizar para reducir de manera drástica el consumo de energía de los dispositivos, al reconocer cuándo un dispositivo necesita funcionar y cuándo no. Por ejemplo, un dispositivo de IoT que funciona con baterías con una conexión wifi puede necesitar enviar datos solo una vez cada 10 segundos. Si este es el caso, el dispositivo puede pasar 9,9 segundos de su tiempo operacional en un modo de sueño profundo, con lo que se minimiza el consumo de energía. Así, la gran cantidad de consumo de energía durante las transmisiones se promedia en los momentos en los que el dispositivo no está en uso; esto, a su vez, puede reducir el consumo de energía de manera drástica.
Reducir la velocidad del reloj
Muchos diseñadores que trabajan con microcontroladores y microprocesadores tienden a intentar exprimir hasta el último megahercio que puedan conseguir. Aunque esto puede ser práctico para las operaciones con grandes cantidades de datos, dista mucho de ser ideal en los diseños portátiles y reducir la velocidad de reloj puede suponer un importante ahorro de energía.
La razón por la que la reducción de las velocidades de reloj en la lógica basada en CMOS ayuda a minimizar el consumo de energía se debe a cómo funciona esta lógica. Durante un 1 o un 0 lógico, el CMOS no consume casi nada de energía, ya que la entrada de las compuertas CMOS es un capacitor, y los pares de transistores CMOS (P y N) funcionan de forma complementaria. Esto significa que durante un estado 1 o 0, no hay paso entre la energía y la masa (por lo tanto, no se consume energía). No obstante, durante un cambio en el estado lógico, hay un breve paso entre la masa y la potencia (ya que el transistor pasa por su región lineal), y esto proporciona un paso entre la potencia y la masa. Es entonces cuando se consume energía, y cuanto más permanezca el transistor en esta región, más energía se consumirá.
Por lo tanto, reducir la velocidad de reloj de un sistema puede ayudar a reducir el consumo de energía, pero hay que entender que la disminución de la velocidad de reloj significa que se ejecutan menos instrucciones por segundo, por lo que se puede tardar más tiempo en ejecutar la misma tarea. Esto nos lleva al problema anterior del consumo de energía: puede consumir menos, pero sigue necesitando la misma cantidad para completar una tarea.
¿Podría el silicio personalizado cambiar el juego?
Una tecnología que podría proporcionar a los futuros dispositivos importantes opciones de ahorro de energía es el silicio y los chiplets personalizados. El mayor inconveniente de la electrónica existente es el gran número de periféricos de los chips que no se utilizan y consumen energía de forma innecesaria. Esto puede incluir instrucciones que no se necesitan, periféricos que soportan buses que no se utilizan y circuitos genéricos que no son necesarios en el diseño final.
Aunque muchos fabricantes de microcontroladores ofrecen la opción de desactivar estas áreas para reducir el consumo de energía, el valioso espacio de silicio sigue ocupando hardware innecesario y, por lo tanto, reduciendo la eficiencia del diseño. Sin embargo, los dispositivos de silicio personalizados permiten a los diseñadores elegir el hardware exacto que necesitan en su diseño y, al hacerlo, pueden reducir el tamaño de sus chips de forma significativa o utilizar por completo el espacio del silicio.
La creación de diseños personalizados se puede realizar de varias formas, como el diseño del propio silicio (ASIC) o la selección de matrices de silicio prediseñadas y su montaje en un único paquete. Es más probable que se adopte el uso de matrices de silicio prefabricadas, ya que son mucho más fáciles de producir y montar y, además, son más económicas.
Conclusión
Existen muchas opciones de energía para los dispositivos portátiles, pero solo unas pocas ofrecen alternativas confiables. A medida que la electrónica se hace más pequeña, los requisitos de potencia también disminuyen (los transistores de menor tamaño consumen menos energía); sin embargo, el mayor número de ellos aumenta el consumo total de esta.
Por ello, los diseñadores pueden depender más de técnicas de ahorro de energía como el “underclocking” y la eliminación de hardware innecesario. Además, en el futuro, la electrónica podría evolucionar hacia los dispositivos personalizados, y se podrían fabricar circuitos completos en un solo paquete, sin necesidad de componentes o piezas externas, y estos dispositivos sería posible adquirirlos como placas de circuito impreso.
