電子機器の小型化により、より強力なデバイスをより小さなパッケージで構築できるようになり、これは現代のコンピューティング システムによって最もよく証明されています。最初のコンピュータ モデルは、今日のスーパー コンピューティング システムと同様に、建物のフロア全体を占めていましたが、スーパー コンピューターのサイズは変わらないものの、処理できるデータの量は飛躍的に増加しました。しかし、電子部品の削減により、電子機器の性能が向上するだけでなく、サイズも縮小できるようになります。
小型化できるデバイスは消費者の観点から見るとより実用的であり、その良いケーススタディがヘッドフォンです。最初のヘッドフォンは大きくてかさばるため、持ち運びには不便でした。技術が進歩するにつれて、ヘッドフォンは耳に快適にフィットするまでサイズが縮小されました。現在では、技術が大幅に進歩したため、これらのインイヤーデバイスはワイヤレス化できるようになりました。
電子機器のサイズを縮小するには、単に部品を小さくするだけでは不十分です。デバイスのエネルギー源も縮小する必要があります。ここで、電源に関する難問が浮上します。電源のサイズを小さくすると、蓄えられるエネルギーの量も減少します。そのため、電子機器の設計者は、バッテリーの動作時間を維持するために電源を縮小すると同時に機器のエネルギー消費を削減する必要があり、現代の電子機器と追い詰められることがよくあります。
では、デザイナーは将来、さらに小型のデバイスを作成するために何を期待できるのでしょうか。また、これらのテクノロジーが開発され続ける中で、デザイナーは今何ができるのでしょうか。
バッテリー技術
デザイナーにはさまざまな バッテリー さまざまな技術が利用可能だが、小型のポータブルデバイスに使用できるのはリチウムイオン（Li-ion）だけだ。現在のリチウムイオン技術により、急速充電が可能な高エネルギー密度のバッテリーが実現しました。これにより、リチウムイオン電池は他の技術（アルカリ電池や鉛蓄電池など）よりも大幅に小型に設計できますが、それにはコストがかかります。
リチウムイオン
リチウムイオン電池は損傷しやすいため、複数の安全システムが必要です。これが起こると、結果は非常に暴力的なものになる可能性があります。リチウムイオン電池が穴を開けられたり損傷したりすると、ほとんどの場合、電極間で内部短絡が発生します。これにより、非常に大きな短絡が発生し、水素ガスと熱が発生します。その結果、バッテリーが膨張し、水素が放出され、発火します。この火災は近くにあるものを損傷するだけでなく、他のバッテリーで追加の火災を引き起こす可能性があります。
ソリッドステート
固体電池は開発中の新技術であり、現在のリチウムイオン電池（液体電解質を使用）を簡単に置き換えることができます。名前が示すように、固体電池は完全に固体材料から作られています。これにより、損傷や内部短絡に対する耐性が大幅に向上します。さらに、研究者たちは、固体電池はより安全で、より多くのエネルギーを蓄えることができ、そのため電池の小型化が可能になると考えています。
しかし、固体電池にも欠点がないわけではありません。大きな欠陥の1つは、内部樹状突起の形成です。リチウムベースの固体電池は、陽極上に小さな結晶が形成され、それが陰極に向かって成長する傾向があります（デンドライトと呼ばれます）。この結晶がカソードに接触すると、セルは短絡し、機能が停止します。
スーパーキャパシタ
スーパーキャパシタ は、低電圧で大量のエネルギーを蓄えることができるため、将来のデバイスに電力を供給する可能性のあるもう1つの選択肢です。さらに、スーパーキャパシタは極めて高速に充電および放電できるため、急速充電機能を必要とするシステムや、大量のエネルギーを突然蓄積する必要があるシステム（回生ブレーキシステムなど）に最適です。
しかし、スーパーキャパシタの問題は、この技術では他のほとんどのバッテリー技術と同じ規模でエネルギーを蓄えることができないことです。そのため、高出力デバイスに長期的なエネルギー貯蔵を提供できない可能性があります。さらに、放電が速いため、短絡による火花が発生する可能性があり、安全上の懸念も生じます。
代替エネルギー源
バッテリーはエネルギーを蓄えますが、デバイスの操作者はデバイスの充電を意識する必要がなく、テクノロジーを遠隔地や電源から離れた場所に取り付けることができ、安全性も向上するため、オンザフライでエネルギーを生成する方がはるかに有利です。
太陽
小型の 太陽電池 は電卓によく使われており、日光やオフィスの照明でも簡単に作動します。これらはスマートデバイスやラップトップに十分な電力を生成できませんが、 IoTセンサー や手首に装着するスポーツウォッチなどの小型デバイスに電力を供給するのに簡単に使用できます。しかし、長期的には、1Wを超える電力を必要とするものに太陽光技術が電力を供給することは期待できません。
圧縮水素
圧縮水素は、将来のもう一つの貯蔵エネルギーソリューションとなる可能性があります。水素と酸素を特殊な陽子交換膜に通すと、直接電気を発生させることができます。これにより、水素が提供するエネルギー密度を活用できる非常に効率的なプロセスが生まれます。しかし、たとえ小型のポータブルデバイスであっても、圧縮水素を貯蔵すると、リチウムイオン電池に関連するものと同様の安全上の懸念が生じます。さらに、これらの燃料電池のサイズを最小化することは困難であり、そのため数十年間は実用的な電源にならない可能性があります。
サーマル
熱エネルギーはペルチェ効果によって電気エネルギーに直接変換できます。研究者たちは、指に指輪のように装着できるエネルギー源を作り出すことに成功しており、空気と体の温度差で電気を作り出すのに十分である。しかし、ペルチェ発電機は効率が悪いことで有名で、このようなデバイスは大きな温度差（約80 ℃）がある場合にのみ効率的に動作します。
放射線
もう一つの将来のエネルギー源は放射線であり、研究者たちは放射性崩壊を直接電気に変換する可能性のあるダイヤモンド電池を設計しました。この技術で設計されたバッテリーは小型化が可能で、再充電を必要とせずに何世代にもわたって電力を供給できます。ただし、このような電源はごくわずかな電力（ナノワット）しか供給できません。また、環境に対する潜在的な危険も生じます。
消費電力削減技術
今日、より小型のデバイスを作成しようとしている設計者にとって、使用できるのは実証済みのバッテリー技術のみであり、それはおそらくリチウムイオンの使用を意味します。しかし、すべてが悲観的というわけではありません。そのようなバッテリーは非常に小さいサイズで購入できるからです。重要なのは、デバイスのエネルギー消費をできるだけ削減し、バッテリーの動作時間を延ばす方法を見つけることです。
エネルギーはエネルギーであり、時間とはまったく関係ない
デザイナーが理解する必要がある最初のルールは、エネルギーは時間とは関係がないということです。デバイスは、短時間に大量の電力を使用することも、長時間にごく少量の電力を使用することもでき、全体としては、デバイスが使用する電力はまったく同じである可能性があります。
このコンセプトは、デバイスがいつ動作する必要があるか、いつ動作する必要がないかを認識することで、デバイスのエネルギー消費を大幅に削減するために使用できます。たとえば、 Wi-Fi接続 を備え、バッテリーで動作する IoTデバイス では、10秒に1回だけデータを送信する必要があるかもしれません。この場合、デバイスは動作時間の9.9秒をディープスリープ モードで過ごすことができ、エネルギー消費が最小限に抑えられます。したがって、送信中の大量のエネルギー消費は、デバイスが使用されていない時間に平均化され、その結果、エネルギー消費を大幅に削減できます。
クロック速度を下げる
マイクロコントローラやマイクロプロセッサ を扱う設計者の多くは、可能な限りすべてのメガヘルツを絞り出そうとする傾向があります。これは、データ量の多い操作には実用的かもしれませんが、ポータブル設計では理想的とは言えず、クロック速度を下げると大幅なエネルギー節約につながります。
CMOSベースのロジックのクロック速度を下げるとエネルギー消費が削減される理由は、CMOSロジックの動作方法によるものです。論理1または0の間、CMOSゲートへの入力はコンデンサであり、CMOSトランジスタ ペア (PとN) は相補的に動作するため、CMOSは電力をほとんど消費しません。これは、1または0の状態では、電源とグランドの間にパスが存在しない (したがって、エネルギーが消費されない) ことを意味します。ただし、論理状態の変化中は、グランドと電源の間に短いパスがあり (トランジスタが線形領域を通過するため)、これにより電源とグランドの間にパスが提供されます。これはエネルギーが消費されるときであり、トランジスタがこの領域に留まるほど、消費されるエネルギーも多くなります。
したがって、システムのクロック速度を下げるとエネルギー消費を削減できますが、クロック速度を下げると1秒あたりに実行される命令の数が少なくなり、同じタスクを実行するのに時間がかかる可能性があることに注意してください。これは、前述のエネルギー消費の問題に戻ります。つまり、消費電力は少なくなるかもしれませんが、タスクを完了するために必要なエネルギー量は依然として同じです。
カスタムシリコンはゲームを変えることができるでしょうか?
将来のデバイスに大幅な省エネオプションを提供できる可能性がある技術の1つは、カスタム シリコンとチップレットです。市販の電子機器の最大の欠点は、使用されず不必要に電力を消費するチップ上の周辺機器が多数あることです。これには、必要のない命令、未使用のバスをサポートする周辺機器、最終設計では必要のない汎用回路などが含まれる可能性があります。
多くのマイクロコントローラ製造業者は、電力消費を削減するためにこれらの領域をオフにするオプションを提供していますが、貴重なシリコン領域は依然として不要なハードウェアによって占有されており、その結果、設計の効率が低下しています。ただし、カスタム シリコン デバイスを使用すると、設計者は設計に必要なハードウェアを正確に選択できるため、チップのサイズを大幅に縮小したり、シリコン スペースを最大限に活用したりすることができます。
カスタム設計の作成は、実際のシリコン自体 (ASIC) を設計したり、事前に設計されたシリコン ダイを選択して単一のパッケージに実装するなど、さまざまな方法で行うことができます。既製のシリコンダイの方が製造や組み立てがはるかに簡単で、より経済的でもあるため、既製のシリコンダイの使用が採用される可能性が高くなります。
結論
ポータブル デバイスには多くの電源オプションがありますが、信頼できるオプションを提供しているものはごくわずかです。電子機器が小型化すると、電力要件も低下します (トランジスタが小型化すれば、消費エネルギーも少なくなります)。ただし、トランジスタの数が増えると、全体的なエネルギー消費量は増加します。
そのため、設計者は、アンダークロックや不要なハードウェアの削除などの省電力技術にさらに依存する可能性があります。さらに、将来的には電子機器がカスタムデバイスへと移行し、外部コンポーネントや部品を必要とせずに回路全体を単一のパッケージ上に構築できるようになり、そのようなデバイスはPCBのように注文できるようになる可能性があります。
