Des chercheurs créent la puce ADC haute vitesse la plus économe en énergie au monde

Pour répondre à la demande croissante de technologie mobile ultra-rapide, chaque année, les géants de la technologie créent des appareils plus rapides et plus puissants avec une alimentation par batterie plus longue que les modèles précédents.

Une des principales raisons pour lesquelles des entreprises comme Apple et Samsung peuvent miraculeusement réussir cela année après année est que les ingénieurs et les chercheurs du monde entier conçoivent des micropuces de plus en plus écoénergétiques qui offrent toujours des vitesses élevées.

À cette fin, des chercheurs dirigés par une équipe de l’Université Brigham Young viennent de construire la micropuce de convertisseur analogique-numérique (ADC) haute vitesse la plus économe en énergie au monde. Un ADC est un minuscule élément de technologie présent dans presque tous les équipements électroniques qui convertit les signaux analogiques (comme une onde radio) en un signal numérique.

L’ADC créé par le professeur BYU Wood Chiang, Ph.D. l’étudiant Eric Swindlehurst et leurs collègues ne consomment que 21 milli-watts de puissance à 10 GHz pour les communications sans fil à très large bande; les ADC actuels consomment des centaines de milli-watts, voire des watts, à des vitesses comparables. L’ADC fabriqué par BYU a le rendement énergétique le plus élevé actuellement disponible dans le monde, un record qu’il détient par une marge substantielle.

«De nombreux groupes de recherche dans le monde se concentrent sur les ADC; c’est comme une compétition pour savoir qui peut construire la voiture la plus rapide et la plus économe en carburant au monde», a déclaré Chiang. « Il est très difficile de battre tout le monde dans le monde, mais c’est exactement ce que nous avons réussi. »

Le principal défi auquel sont confrontés des chercheurs comme Chiang est que des bandes passantes de plus en plus élevées dans les dispositifs des systèmes de communication signifient des circuits qui consomment plus d’énergie. Chiang, Swindlehurst et leur équipe ont entrepris de résoudre le problème en se concentrant sur un élément clé du circuit ADC appelé le DAC, qui est une pièce centrale qui représente exactement l’inverse de l’ADC: le convertisseur numérique-analogique.

Pour les experts en technologie, voici une explication générale de ce que l’équipe de recherche a fait:

Ils ont rendu le convertisseur plus rapide et plus efficace en réduisant la charge du DAC en mettant à l’échelle à la fois la surface de la plaque parallèle du condensateur et l’espacement. Ils ont également regroupé les condensateurs unitaires différemment de la manière conventionnelle, regroupant les condensateurs unitaires qui font partie du même bit dans le DAC plutôt que de les avoir entrelacés partout. Cela a réduit la capacité parasite de la plaque inférieure de trois fois, réduisant considérablement la consommation d’énergie tout en augmentant la vitesse.

Enfin, ils ont utilisé un commutateur amorcé, mais l’ont amélioré en le rendant double chemin où chaque chemin peut être optimisé indépendamment. Cette méthode augmente la vitesse mais ne nécessite pas de matériel supplémentaire car elle implique la division des périphériques existants et la modification de l’itinéraire dans le circuit.

Le projet, parrainé par le ministère des Sciences de Taïwan et un consortium d’entreprises technologiques, a duré quatre ans – trois ans pour concevoir la puce et un an pour la tester. L’équipe, qui comprenait des collaborateurs de l’Université nationale Yang Ming Chiao Tung à Taiwan et de l’Université de Californie à Los Angeles, a publié les détails du projet dans Journal IEEE des circuits à semi-conducteurs plus tôt cette année, avec Swindlehurst en tant qu’auteur principal.

« Nous avons prouvé la technologie de la puce ici à BYU et il n’y a aucun doute sur l’efficacité de cette technique particulière », a déclaré Chiang. « Ce travail repousse vraiment les limites de ce qui est possible et se traduira par de nombreuses commodités pour les consommateurs. Votre Wi-Fi continuera de s’améliorer grâce à cette technologie, vous bénéficierez de vitesses de téléversement et de téléchargement plus rapides et vous pourrez regarder 4K ou même 8K avec peu ou pas de décalage tout en maintenant la durée de vie de la batterie. « 

Chiang a déclaré que les autres applications probables de l’ADC comprennent les véhicules autonomes (qui utilisent une tonne de bande passante sans fil), les appareils portables intelligents tels que les lunettes ou les lentilles de contact intelligentes, et même des éléments tels que les dispositifs implantables.

L’appareil nécessitait une conception et une vérification sophistiquées pour garantir que tous les milliers de connexions du convertisseur fonctionneraient correctement. Une seule erreur dans la conception aurait pris au moins une année supplémentaire pour être corrigée, l’équipe était donc ravie de n’avoir commis aucune erreur.

« C’est comme construire une petite ville. Il y a tellement de détails qui entrent dans ce projet », a déclaré Chiang. « L’équipe d’étudiants a fait un travail merveilleux – toutes les pièces s’emboîtent parfaitement pour réaliser cet exploit d’ingénierie. J’ai la chance d’avoir travaillé avec des étudiants aussi talentueux à BYU. »

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Les co-auteurs de la recherche publiée incluent Hunter Jensen (BYU), Alexander Petrie (BYU), Yixin Song (BYU), Yen-Cheng Kuan (Université nationale Yang Ming Chiao Tung), Yong Qu (Texas Instruments), Mau-Chung Frank Chang (UCLA), Jieh-Tsorng Wu (Université nationale Yang Ming Chiao Tung).

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