La riduzione delle dimensioni dell’elettronica permette di realizzare dispositivi più potenti in pacchetti più piccoli, e questo è meglio evidenziato dai moderni sistemi informatici. I primi modelli di computer occupavano interi piani di edifici, simili ai sistemi di supercomputing di oggi, ma mentre la dimensione dei supercomputer non cambia, la quantità di dati che possono elaborare è aumentata esponenzialmente. La riduzione dei componenti elettronici non solo permette ai dispositivi elettronici di diventare più potenti, ma anche di ridurne le dimensioni.
I dispositivi che possono essere resi più piccoli sono più pratici per chi li usa, e le cuffie sono un ottimo esempio. Le prime cuffie erano grandi e ingombranti, poco pratiche da portare in giro. Con il miglioramento della tecnologia, le dimensioni si sono ridotte, e oggi è possibile inserire le cuffie comodamente nell'orecchio. Ora, la tecnologia è migliorata così tanto che questi dispositivi in-ear possono essere anche senza fili.
Ridurre le dimensioni dell'elettronica non significa solo rendere i componenti più piccoli: occorre ridurre anche la fonte di corrente. Questo causa un grattacapo. La riduzione delle dimensioni di una fonte di corrente riduce la quantità di corrente che un dispositivo può immagazzinare. Pertanto, i progettisti di dispositivi elettronici spesso giocano al gatto e al topo con l'elettronica moderna, in quanto hanno bisogno di ridurre la fonte di alimentazione mentre riducono anche il consumo di corrente del dispositivo per mantenere il tempo operativo della batteria.
Quindi, cosa possono prendere in considerazione i progettisti in futuro per creare dispositivi ancora più piccoli, e cosa possono fare ora mentre queste tecnologie continuano a essere sviluppate?
Tecnologie delle batterie
I progettisti hanno a disposizione una moltitudine di tecnologie di batterie, ma solo una rimane praticabile per i piccoli dispositivi portatili: quella agli ioni di litio (Li-ion). L'attuale tecnologia Li-ion permette di ottenere batterie con un'alta densità di corrente che possono essere caricate rapidamente. Così, è possibile creare batterie Li-ion significativamente più piccole rispetto ad altre tecnologie (come alcali e piombo-acido). Ma questo ha un prezzo.
Ioni di litio
Le batterie agli ioni di litio richiedono sistemi di sicurezza multipli, poiché si danneggiano facilmente. Quando questo accade, il risultato può essere disastroso. Quando le batterie Li-ion vengono forate o danneggiate, formano quasi sempre un cortocircuito interno tra i loro elettrodi. Questo provoca un cortocircuito di dimensioni molto grandi che, a sua volta, genera idrogeno gassoso e calore. La batteria si gonfia, sfoga l'idrogeno e prende fuoco. Questo incendio può danneggiare gli oggetti nelle vicinanze e causare altri incendi in altre batterie.
Stato solido
Le batterie allo stato solido sono una nuova tecnologia in via di sviluppo che potrebbe facilmente sostituire le attuali batterie Li-ion (che utilizzano un elettrolita liquido). Come suggerisce il nome, le batterie allo stato solido sono fatte interamente di materiali solidi. Per questo motivo, sono molto più resistenti ai danni e ai cortocircuiti interni. Inoltre, i ricercatori ritengono che le batterie allo stato solido siano più sicure, capaci di immagazzinare più corrente e, come tali, potranno avere dimensioni più piccole.
Tuttavia, le batterie a stato solido non sono prive di difetti. Uno è la formazione di dendriti interni. Le batterie a base di litio a stato solido sono inclini a formare piccoli cristalli sui loro anodi che crescono verso il catodo (chiamato dendrite). Se questo cristallo entra in contatto con il catodo, la cella va in corto circuito e smette di funzionare.
Supercondensatori
I supercondensatori sono un'altra opzione che potrebbe alimentare i dispositivi del futuro, grazie alla loro capacità di immagazzinare grandi quantità di corrente a basse tensioni. Inoltre, i supercondensatori possono caricare e scaricare molto velocemente, il che li rende ideali per i sistemi che hanno bisogno di funzioni di carica rapida o quelli che hanno bisogno di immagazzinare improvvisamente grandi quantità di corrente (come un sistema di frenata rigenerativa).
Il problema con i supercondensatori, però, è che questa tecnologia non è in grado di immagazzinare corrente sulla stessa scala della maggior parte delle altre tecnologie di batterie. Come tale, potrebbe non essere in grado di fornire corrente a lungo termine per dispositivi ad alta alimentazione. Inoltre, il fatto che si scarichi rapidamente solleva anche problemi di sicurezza con la possibilità di scintille da un cortocircuito.
Fonti di corrente alternative
Le batterie immagazzinano corrente, ma generare corrente al volo può essere molto più vantaggioso, in quanto gli operatori del dispositivo non hanno bisogno di ricordare di caricare il dispositivo e la tecnologia può essere montata a distanza e lontano da qualsiasi fonte di alimentazione, oltre a fornire una maggiore sicurezza.
Solare
Le piccole celle solari si trovano comunemente sulle calcolatrici, che possono facilmente funzionare alla luce del giorno e alla luce dell'ufficio. Mentre non sono in grado di generare abbastanza corrente per dispositivi intelligenti o computer portatili, possono essere facilmente utilizzati per alimentare dispositivi più piccoli come sensori IoT e orologi sportivi da polso. Ma a lungo termine, non dobbiamo aspettarci che le tecnologie solari alimentino qualsiasi cosa che abbia bisogno di più di 1 W di alimentazione.
Idrogeno compresso
L'idrogeno compresso potrebbe essere un'altra soluzione di corrente immagazzinata per il futuro. Se l'idrogeno e l'ossigeno passano attraverso una speciale membrana a scambio protonico, possono essere fatti per generare direttamente elettricità. Questo crea un processo altamente efficiente che può sfruttare la densità energetica offerta dall'idrogeno. Tuttavia, lo stoccaggio di idrogeno compresso, anche in un piccolo dispositivo portatile, solleva preoccupazioni di sicurezza simili a quelle associate alle batterie Li-ion. Inoltre, è difficile ridurre al minimo le dimensioni di queste celle a combustibile, e quindi potrebbe non essere una fonte di corrente praticabile per diversi decenni.
Termico
La corrente termica può essere convertita direttamente in corrente elettrica attraverso l'effetto Peltier. I ricercatori sono stati in grado di creare fonti di corrente che possono essere indossate come un anello su un dito, e la differenza di temperatura tra l'aria e il corpo è sufficiente per creare elettricità. Tuttavia, i generatori Peltier sono notoriamente inefficienti, e tali dispositivi funzionano in modo efficiente solo con una grande differenza di temperatura (circa 80˚C).
Radiazione
Un'altra futura fonte di corrente è la radiazione, e i ricercatori hanno progettato potenziali batterie di diamanti che convertono direttamente il decadimento radioattivo in elettricità. Una batteria progettata con questa tecnologia potrebbe essere resa piccola e fornire corrente per generazioni senza mai aver bisogno di una ricarica. Tuttavia, una tale fonte di corrente fornirebbe quantità minuscole di alimentazione (nanowatt). Si presenta anche come un potenziale pericolo ambientale.
Tecniche di riduzione del consumo di alimentazione
Per i progettisti che stanno cercando di creare dispositivi più piccoli oggi, solo le tecnologie delle batterie che sono state provate possono essere utilizzate, e questo significa molto probabilmente l'uso degli ioni di litio. Tuttavia, non è tutto negativo, poiché tali batterie possono essere acquistate in dimensioni molto piccole. Il trucco è trovare un modo per ridurre il più possibile il consumo di corrente di un dispositivo in modo da poter prolungare il tempo di funzionamento della batteria.
La corrente è totalmente indipendente dal tempo
La prima regola che i progettisti devono tenere a mente è che la corrente non ha niente a che vedere con il tempo. Un dispositivo può utilizzare una grande quantità di corrente per un breve periodo di tempo, o una quantità molto piccola di corrente per un lungo periodo, e nel complesso, il dispositivo potrebbe utilizzare la stessa quantità di corrente.
Questo concetto può essere usato per ridurre seriamente il consumo di corrente dei dispositivi, riconoscendo quando un dispositivo ha bisogno di funzionare e quando no. Per esempio, un dispositivo IoT che funziona a batterie con una connessione Wi-Fi può avere bisogno di inviare dati solo una volta ogni 10 secondi. Se è così, il dispositivo può trascorrere 9,9 secondi del suo tempo operativo in una modalità deep-sleep, per cui il consumo di corrente è ridotto al minimo. Così, la grande quantità di consumo di corrente durante le trasmissioni è mediata sui tempi in cui il dispositivo non è in uso; questo, a sua volta, può ridurre il consumo di corrente in modo drammatico.
Ridurre le velocità di clock
Molti progettisti che lavorano con microcontroller e microprocessori tendono a cercare di spremere fino all'ultimo megahertz che possono ottenere. Mentre questo può essere pratico per le operazioni pesanti per i dati, è lontano dall'ideale nei progetti portatili, e ridurre la velocità di clock può portare a grandi risparmi energetici.
La ragione per cui la riduzione delle velocità di clock sulla logica basata su CMOS aiuta a ridurre il consumo di corrente deriva da come funziona la logica CMOS. Durante un 1 o 0 logico, il CMOS non consuma quasi nulla, poiché l'ingresso alle porte CMOS è un condensatore, e le coppie di transistor CMOS (P e N) operano in complimento. Questo significa che durante uno stato 1 o 0, non c'è alcun percorso tra la corrente e la terra (quindi, non viene consumata corrente). Tuttavia, durante un cambiamento di stato logico, c'è un breve percorso tra la terra e la corrente (come il transistor passa attraverso la loro regione lineare), e questo fornisce un percorso tra la corrente e la terra. Questo è il momento in cui si consuma corrente, e più il transistor rimane in questa regione, più corrente viene consumata.
Quindi, ridurre la velocità di clock di un sistema può aiutare a ridurre il consumo di corrente, ma bisogna capire che la riduzione della velocità di clock significa che vengono eseguite meno istruzioni al secondo, e quindi potrebbe essere necessario più tempo per eseguire lo stesso compito. Questo ci riporta al problema precedente del consumo di corrente. Si può consumare meno corrente, ma è necessaria comunque la stessa quantità di corrente per completare un compito.
Il silicio personalizzato potrebbe cambiare il gioco?
Una tecnologia che potrebbe fornire ai futuri dispositivi importanti opzioni di risparmio di corrente è il silicio personalizzato e i chiplet. Il più grande svantaggio dell'elettronica di serie è rappresentato dal numero, spesso elevato, di periferiche sui chip che rimangono inutilizzate e consumano corrente inutilmente. Questo potrebbe includere istruzioni che non sono necessarie, periferiche che supportano bus inutilizzati e circuiti generici che non servono nel progetto finale.
Mentre molti produttori di microcontroller offrono la possibilità di disattivare queste aree per ridurre il consumo di corrente, il prezioso spazio del silicio è ancora occupato da hardware non necessario e, come tale, riduce l'efficienza del progetto. I dispositivi di silicio personalizzati, tuttavia, permettono ai progettisti di scegliere l'hardware esatto di cui hanno bisogno nel loro progetto e, così facendo, possono ridurre le dimensioni dei loro chip in modo significativo o utilizzare completamente lo spazio del silicio.
La creazione di progetti personalizzati può essere operata in diversi modi, compresa la progettazione del silicio stesso (ASIC) o la scelta di matrici di silicio pre-progettate e il loro montaggio in un unico pacchetto. È più probabile che venga adottato l'uso di stampi di silicio già realizzati, poiché questi sono molto più facili da produrre e assemblare e sono anche più economici.
Conclusione
Ci sono molte opzioni di alimentazione per i dispositivi portatili, ma solo alcune forniscono opzioni credibili. Man mano che l'elettronica diventa più piccola, anche i requisiti di alimentazione diminuiscono (i transistor più piccoli consumano meno corrente); tuttavia, l'aumento del numero di transistor aumenta il consumo globale di corrente.
Come tale, i progettisti possono fare più affidamento su tecniche di risparmio di alimentazione come l'under-clocking e la rimozione dell'hardware non necessario. Inoltre, il futuro potrebbe vedere l'elettronica muoversi verso dispositivi personalizzati, e interi circuiti possono essere costruiti su un singolo pacchetto senza bisogno di componenti o parti esterne, e tali dispositivi potrebbero essere ordinati come i PCB.
