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首頁 > 技術服務 > 國際技術趨勢剖析 > 2011 ISSCC
生醫系統數位應用技術

簡介

  為追求更佳之健康管理,遠距醫療為近年來被廣為討論之議題,往年ISSCC相關研究主題皆著重於感測電路與近距離傳輸技術,然而隨著技術趨於成熟及系統之複雜化,位於人體感測端之數位技術可協助系統資源與網路管理,更進一步地提升系統效能並延長系統運作時間,因而開始受到重視。以本年度ISSCC為例,韓國KAIST提出一種用於睡眠監測之即時網路控制器以降低系統能量消耗;荷蘭NXP半導體與比利時研究單位IMEC,則提供一種適用於近身區域網路之通用處理器,藉由早期生理訊號處理方式降低資料傳輸量,進而延長感測電路之使用時間;此外,德國的Freiburg大學與HSG-IMIT機構則專注於數位標準元件之低功率設計,藉以降低數位電路自身功耗。以下將針對此三篇論文進行探討。

    2.1.1為韓國KAIST 提出供睡眠監測的網路控制器與ExG感測端點設計 [1],由於睡眠監測之感測端點可能多達10多組 (EEG*4, EOG*4, ECG*2, EMG*3…可能擴充) ,並可能於監測中調整數量,故能即時因應網路變化而做調整之控制器相當重要;此網路控制器之核心為一硬體實現的鏈結串列 (Linked List) 管理電路,藉以即時偵測感測端點之加入與離開並動態去做調整 (8µs完成新端點之加入),由於感測端點數目的不同亦會反映至不同資料量,故鏈結串列之資訊亦可供系統調整處理之活動周期 (duty cycle),藉以降低平均功耗;此外,網路介面採低振幅的傳輸方式,並搭配多感測端點之連續資料傳輸協定,以取消指令交換的步驟,省去不必要之功耗,收集至網路控制器之感測資料可藉由一16位元生理訊號處理器來進行訊號之濾波、壓縮、與儲存。而在感測端點設計部分,則包含生理訊號放大器、10位元類比數位轉換器、資料傳輸電路、暫存記憶體與感測端點控制器;基於織物電路板之設計,感測端點與網路控制器之重量可大幅減輕,且亦可減少配戴產生之不適,其完成之睡眠監測系統重量僅為5克,系統功率小於500µW,各為先前作品之1/9 (size) 1.5% (power)

2.1.1網路控制器與感測端點設計圖

 

    2.2.1IMECNXP半導體共同提出之通用生理訊號處理器 [2],其特色為諸多為了降低功耗而搭配之系統切割策略,包含低活動周期 (duty cycle)、單指令多資料流 (Single Instruction Multiple Data, SIMD) 指令集、多電源域 (power domain)、低電壓、電源閘 (power gating) 技術、多時脈域 (clock domain)、時脈閘 (clock gating) 技術。此通用處理器提供多個與感測電路相接之介面,並以直接記憶體存取 (Direct Memory Access, DMA) 形式將感測資料直接搬運至記憶體,避免因使用較長之匯流排 (bus) 而消耗更多動態功耗且在收集感測資料時,處理器可維持睡眠狀態,僅獨立開啟DMA控制器;晶片內建一速度達100MHz之時脈產生器,搭配時脈切換介面,以提高處理器的運算能力;處理器之邏輯電路操作在獨立電源域,由外部供應0.4V-1.2V之間的電壓,資料與指令記憶體被切割為數個較小之記憶體庫並使用不同電源域 (0.7V-1.2V),其共享位址、資料與控制線路機制可省去多餘之電位轉換器 (level shifter)。基於所描述之機制,此生理訊號處理器可完成複雜之小波轉換心電圖應用,並於0.4V時僅消耗平均13pJ/cycle之能量。

2.2.1通用處理器架構圖

 

    德國的Freiburg大學與HSG-IMIT機構則共同提出一建構於Schmitt-trigger電路之次臨界低電壓數位標準元件以降低數位電路本身能量消耗 [3]。此乃有別於以往提出之低電壓作品,本作品不需額外之body bias 機制、額外較高之偏壓或post-silicon 調整。操作在次臨界電壓Schmitt-trigger電路起初乃被提出使用在記憶體上,本作品則將其延伸至組合邏輯與正反器(flip-flop)電路來建構標準元件資料庫,圖2.3.1 可見一範例,藉由電晶體尺寸調整、邏輯閘種類挑選與面積之選擇,本作品以8×8的乘法器為例,於0.13μm CMOS製程中,可操作於62mV84mV的低電壓,並消耗能量47.7fJ E/op,由實驗結果可見此低電壓數位標準元件資料庫乃適用於需維持在持續開機(always-on) 行為或僅能得到低電壓供應之電路,如喚醒電路或能量採集控制電路。

2.3.1標準元件範例圖

 

Reference

[1] S. Lee, L. Yan, T. Roh, S. Hong and H. J. Yoo, “A 75μw Real-Time Scalable Network Controller and a 25μw ExG Sensor IC for Compact Sleep-Monitoring Application,” ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 36-37, Feb., 2011

[2] M. Ashouei, J. Hulzink, M. Konijnenburg, J. Zhou, F. Duarte, A. Breeschoten, J. Huisken, J. Stuyt, H. de Groot, F. Barat, J. David, J. Van Ginderdeuren, “A Voltage-Scalable Biomedical Signal Processor Running ECG Using 13pJ/cycle at 1MHz and 0.4V,” ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 332-333, Feb., 2011

[3] N. Lotze and Y. Manoli, “A 62mV 0.13μm CMOS Standard-Cell-Based Design Technique Using Schmitt-Trigger Logic,” ISSCC Dig. Tech. Papers, pp. 332-333, Feb., 2011

 

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