Objets communicants et nanotechnologies

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Journées scientifiques du CNFRS «Nanosciences et Radioélectricité» Objets communicants et nanotechnologies Patrice Senn Expert télécom et microélectronique Paris 20/21 mars 2007 Plan de la présentation
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Journées scientifiques du CNFRS «Nanosciences et Radioélectricité» Objets communicants et nanotechnologies Patrice Senn Expert télécom et microélectronique Paris 20/21 mars 2007 Plan de la présentation 1. Introduction: objets communicants quelques exemples d application 2. Architectures embarquées 3. Contraintes technologiques et apports des nanotechnologies 4. Perspectives et conclusions nanotechnologies - P. Senn 2 Objets communicants: «Poussés pas la Technologie» ou «Tirés par les Usages»? Microelectronics devices are becoming so small and inexpensive that they can be embedded in almost everything (F. Mattern / ETHZ 2003, SoC 03) the ultimate Internet revolution will be when all the devices around the world are connected! (C. Barett / Intel 2002) The future is not going to be people talking to people; it's not going to be people accessing information. It's going to be about using machines to talk to other machines on behalf of people. That's where the growth is going to be. (Paul Saffo, Institute of the Future) Korea is entering the U-Society era (Daeje Chin, Minister of Information and Communication, Korea): ISSCC'05, San Francisco, February 2005: In such society, information technology (IT) enables everyone to enjoy daily life without awareness of IT itself. This is made possible by the invisible Silicon that resides within almost everything in our society, to sense, analyze, and control ourselves and our environment. 3 1. Introduction: objets communicants quelques exemples d application Objet communicant: Module électronique doté de capacités de communication, de calcul et de mémorisation, voire d interaction avec son environnement (physique et virtuel), et autonome en énergie et en décision (sans intervention humaine) «microsystème» Microsystème Epson/Sanyo (13 g 1 h auton.) Télé monitoring, Internet Télé surveillance, RFID passif Suivi de flotte, Environnement, 4 M2M (Machine to Machine) services à base d objets communicants (de la couche radio au SI) Pico-networks Ad-hoc networks Machine to User : Alert, Notification, Location, context aware, User to Machine : Telemonitoring, Middleware Devices Networks Système d information du client CA 2010: 50 à 700 G $!! 10 G $ en Europe!! 5 Application santé du M2M Patient Infra rouge Patient file Obesity Mobile Network or Fixed Network (PSTN or ADSL ) Home Medical Gateway Internet Platform Specialised Doctor High Blood Pressure Bluetooth Asthma Diabète - Une chaîne technologique complète (HW et SW, SI, ) - Une chaîne des acteurs, des services, des usages, du droit très complexe Medical Assistance Call Center 6 Application «environnement» du M2M Collecte de verre Internet GSM / GPRS Passerelle radio / gprs Etat récapitulatif des conteneurs en temps réel] Internet Réseau radio capillaire R1 R2 Répéteurs Orange M2M Connect Application de Supervision Capteur de niveau d'eau 7 L intelligence ambiante: M2M avec une «couche supplémentaire d intelligence» pour l analyse du contexte Traitement «local» par ontologies* (proche du web sémantique) Feed-back «automatique» sur l environnement physique Applications: Médicales (maintien à domicile, maisons médicalisées, ) Situations à risques, Confort (résidentiel, professionnel, ) Physical/analog Environment sensors actuators Digital IT Systems Cf. France Télécom R&D sensors actuators IT Systems *Ontologie: ensemble structuré de concepts; Une ontologie est la spécification d'une conceptualisation d'un domaine de connaissance. 8 2. Architectures embarquées Du module «GSM» au module RFID passif: µchip 400x400µm RFID «powder» 50x50µm Hitachi PRU: Quant. (2007): GSM-GPRS/GPS module + alim et antennes + «SIM card» (Wavecom, ) Typ. 10 km 20!! 10 million? TAG actif Zigbee, BT,WiBree Wavenis, Pico radio, RuBee (IEEE ) 132 to 450 KHz actif Typ. 100m. 5 à 10!! 100 million* cheveu TAG passif HF : 13,56 MHz to UHF ( MHz) E RuBee (IEEE )B 132 to 450 KHz passif Typ. 1m 0,15 à 1!! 1,7 G * ** IDTechEx 9 Contraintes d intégration Complexité Contraintes de coûts Contraintes d alimentation Intégration (SoC ou SiP) Classe Classe 2 Alim disponible Classe 2 Pas d alim disponible Classe Classe Architectures embarquées Principales fonctions: Accès réseau (radio, optique, filaire, acoustique, ) Senseurs Actuateurs ADC/ DAC CPU Sécurité RAM/ MNV. RX/TX Alim. Contrôle de l alimentation Volume: le plus faible possible, 10 cm 3 (5x2x1 cm) à 1 cm 3!! Autonomie: durée de vie du système, 5 à 10 ans Coût: le plus faible possible, 5 à 10 Radio: optimisation «portée - consommation - robustesse» Reconfigurabilité, programmabilité, Mise en réseau, 11 Configuration en réseau 12 Exemple d objets communicants UCLA: WINS UC Berkeley: COTS Dust UC Berkeley: COTS Dust UC Berkeley: Smart Dust Rene Mote Dot Mote JPL: Sensor Webs WeC Mote Mica node Rockwell: WINS Erdal Cayirci. Tutorial on sensor networks. ICC, Paris Concept de «smart dust» à UC Berkeley Communication optique sans fil : émission, réception Capteurs: MEMS Cellule solaire, batterie 14 3. Contraintes technologiques (impact des nanotechnologies : -- à ++) Challenges: Puissances de calcul: Fonctions programmables (OS, ): 10 à 50 MIPS (--) OS (1 à 10 MIPS), MAC, routage, API, 5 à 50 MIPS) Fonctions «câblées» (crypto, interfaces A/D,..) 0,1 à 1 GOPS (--) Mémoires: Mémoires: RAM et non volatiles (démarrage inst.) MRAM, PRAM, (+) Fonctions analogiques: Fonctions A/D D/A fom=p/(2 Nb *F S ) 60fJ/step (65nm) (-) Modem (radio): R dt., P (mw)? (-) Fonctions capteurs/actuateurs MEM s et capteurs Nano capteurs! (++) Fonction alimentation: Batteries, piles, récupération énergie,.. 1 mwh(3.6j)/24h sur 5 ans (+) Packaging et antenne: Faible coût, SiP, CoC, SoC, méta-matériaux, (+) 15 Fonction alimentation: Volume: 5 cm 3 Batterie Li-ion (550 Wh/l) 2,75 Wh -5 à -10%/mois 3 ans Pile Lithium «CR2» 2,25 Wh 3 5 ans Batterie NiMH 1,1 Wh -20%/mois Piles alcalines 1,7 Wh 1 0,3%/mois 5ans soit 0,75 mwh / 24h sur 5 ans (2,7 J/24h) Vibrations 10 à 30 µw/cm 3 p dt 24h : 0,125 à 0,375 mwh par 24h (2,5 cm 3 ) avec batterie/super C tampon (2,5 cm 3 ), voire en «under IC» Surface: 10 cm 2 Cellules solaire (10 cm 2 )* 0,1 à 5 mw/cm 2 (ext) (selon éclairement) (avec batterie, super Capa. tampon) soit 4 mwh à 200 mwh par 24 h 16 *Rayonnement solaire max (direct+diffus): 140 mw/cm 2, soit env. 10 mw/cm 2 moy sur 8h Fonction alimentation: Autres sources (générateurs thermique, signaux RF, Pile à combustible (5 cm 3 ): Méthanol (densité d énergie th.): env. 5 Wh/cm 3 Rendement piles à combustible (Méthanol): 20% soit 1 Wh/cm 3 Pour un volume total d env. 5 cm 3, (2 cm 3 de Méthanol) : 2 Wh! Intérêt: recharge «facile» du système!! Energie disponible: 1 mwh ou 3.6 J / 24h 17 Bilan de consommation: 1 mwh/24h (3.6J /24h) P/4 10 mw (0,1%) Accès réseau (radio, optique, filaire, acoustique, ) P/4* 10 mw (0,1%) P/2 20 mw (0,1%) Senseurs Actuateurs ADC/ DAC CPU Sécurité RAM/ MNV. RX/TX Alim. Contrôle de l alimentation Si taux d activité de 1% : P active = 4,2 mw Si taux d activité de 0,1% : P active = 42 mw * Evolution suivant la loi de Moore 18 Puissance de calcul Loi de Moore Performances Si GOPS (16b) /GIPS (32 b) Moore's law! More Moore www-drecam.cea.fr 100 mw 1 GOPS 50 MIPS ,3 0,1 0,03 10 mw Asic to ASSP DSP to GP µp 10 mw 1 mw 100 mw 10 mw 1 mw 1 mw Nanotechnologies! Process: 1 Year (indust.) 18 0,8 0,5 0,35 0,25 0,18 0,13 0,09 0,06 0,045 0,032 0,022 0,01 L µm Exemple: ARM926EJ-S Jazelle-enhanced macrocell Processor Area mm 2 Power Consumption mw/mhz Frequency (Worst Case) Cache Size 90nm ARM926EJ K/8K ARM926EJ K/16K ARM926EJ-S 32/16-bit RISC architecture (ARMv5TEJ) 32-bit ARM instruction set for maximum performance and flexibility 16-bit Thumb instruction set for increased code density DSP instruction extensions and single cycle MAC ARM Jazelle technology. 45 nm 0,4 mm 2 0,02 mw/mips 20 Mémoires non volatiles: Mémoires de type «flash»: tensions «élevées», Nb de cycle d écriture limité, temps d écriture important Mémoires utilisant des matériaux «magnétiques»: MRAM et FeRAM, très bonnes propriété électriques (Nb cycles, temps E/L,..) mais consommations un peu élevées (MRAM) Mémoires à changement de phase (cristallin/amorphe): PRAM, mémoires encore limitées en temps d écriture mais progrès récents (IBM, IEDM 2007): Phase-Change Bridge Memory from the IBM/Qimonda/Macronix PCRAM: Phase-change material, doped germanium antimonide (GeSb). Reset current of less than 100 µa and rapid change between states, good data retention and cycle life, and relative temperature insensitivity. 20-nm to 200-nm-wide bridge of GeSb 60 nm2 cell size (qq MHz!) 21 Fonctions capteurs/actuateurs: exemple de détecteurs de composés volatiles ou liquides A base de nanotubes de carbone mono-parois (SWNTC) Nano capteur : Capteur dont au moins une dimension de la surface sensible est de l'ordre du nanomètre Nanotube de carbone mono paroi : une feuille de graphène enroulée, de diamètre environ 10 nm longueur 100µm Moléculaire : Permet la détection de molécules Gazeuses Biologiques Mise en réseau de différents capteurs: Détection de composés complexes Détection de gaz difficiles à détecter simplement 22 Fonctionnalisation Le substrat est rendu actif par greffage de groupements fonctionnels par liaisons : Covalentes (chimisorption) K.A. Williams, P. T. M. Veenhuizen, B. G. de la Torre, R. Eritja, C. Dekker Nature 420, 761 ( 2002) Non covalentes (physisorption, p-stacking) C. Richard, F. Balavoine, P. Schultz, T.W.Ebbesen and C.Miokowski Science 300, 775 (2003) R.S.Berman R. J.Chen, Y. Zhang, D. Wang, H. Dai J. Am. Chem. Soc. 123(16) (2001) 23 Radio et antennes Système RFID passifs: 132 khz à UHF ( MHz): 132 KHz (RuBee) à 13,56 MHz (14433, ), UHF Composante magnétique majoritaire, champ proche (d L onde ) Couplage magnétique, antennes spirales Décroissance B en 1/d 3 (énergie 1/d 6 ) (qq cm à 1m) Faibles débits de transmission Composantes électrique majoritaire, champ lointain Couplage électromagnétique (antenne dipôle), Méta matériaux! - qq mètres ( 10 m) Décroissance E en 1/d (énergie 1/d 2 ) Débits transmission élevés, 10 m B=µH V=B.S.2.π.f S: surface antenne «développée» f: fréquence de la porteuse (à champ identique S 132 Khz doit être 100 fois supérieure à S 13,56 MHz ) 24 V Radio et antennes Systèmes RFID actifs ou semi-actifs (avec batterie ou source d énergie locale): 125 KHz à 6 GHz!!! = 13,56 MHz: champ proche, couplage magnétique 13,56 MHz (UHF, 2.4 GHz, 5-6 GHz, UWB): champ lointain, couplage électromagnétique, radio active ou passive (modulation par rétro-réflexion) Possibilités de mises en réseau Mesures physiques locales, Détection d évènements 25 Radio - Contraintes Modèle de propagation simplifié: atténuation en d 2 (1 GHz), sans fading: Puissance émission 0dBm (1 mw) en sortie antenne: Atténuation pour 100m: 72dB (espace libre) (1000m : 92dB) Facteur de bruit (NF) «low cost» du récepteur: 15dB BER = 1x10-6 (Eb/No = 13 db) 1000 m: env. 125 kb/s (8 nj/b soit 40nJ/b avec Rdt de 20%) soit env. 130 b/s en moyenne par module* 100 m: env. 16 Mb/S (62 pj/b 330 pj/b) soit env. 16 kb/s par module* 100m A tt = 20.log(4.π.d.F/C) F: 1 GHz C: m/s d: distance entre antennes) Gain d environ 12 en énergie: 10 sauts de 100m vs 1 de 1000 m (gain théorique, à minimiser avec l accroissement de trafic lié à la gestion des multi-sauts: MAC, routage, écoute trafic ) 1000 m Pour un module disposant de 3,6J par 24h 450 mj émission radio 26 avec un rendement de 20% Modem Radio - suite BE (UHF) puissance d émission 0dBm (1 mw): Emission modulée (Rdt. 20 %): Conso. P ampli RF : 5 mw Réception: LNA BE, SAW,.. 5 mw Interfaces radio, synthétiseur, 10 mw UWB (1-3 GHz), - 41dBm/MHz : Emission (Rdt 80 %) 0,1 mw* Réception (LNA LB, corrélateurs,..) 25 mw** Interfaces radio, 5 mw * A 47 pj/pulse 3-5GHz All-Digital Transmitter in 90 nm CMOS, MIT, ISSCC07 **A 2,5 nj/b (100 kbs) 0,65V 3-5GHz Subbanded UWB Receiver in 90 nm CMOS, MIT, ISSCC07 Intérêt de l UWB vis-à-vis du BE: Balises mobiles d émission (si récepteurs fixes alimentés) Propagation en milieu difficile (loi d att. diff. 1/d 2 ) Robustesse des systèmes LB vs BE Saturation des fréquences BE 27 4. Perspectives et conclusions Traitement numérique: La réduction des dimensions (loi de Moore) permettra encore de réduire la consommation d un facteur 100 (mw/mips) par rapport au 90nm (22 nm): Amélioration des performances de mises en réseau, augmentation du traitement canal pour augmenter le débit utile à P radio identique (favoriser Moore vs Shannon) Amélioration sécurité, fiabilité, robustesse des systèmes Enrichissement des applications, intelligence répartie, «coopération d objets», optimiser l énergie locale et globale, Nécessité de choisir des architectures génériques (cœur RISC, mémoires, bus, ) + fonctions programmables pour les parties opératives spécifiques (points PRAM?) pour réduire les coûts de fabrication. Traitement analogique: Impact négatif de la réduction des dimensions (et des tensions): vers des technologies 0,1µm avec MEMs (SAW, BAW, ) Packaging: SiP* plutôt que SoC** Au-delà du 22 nm: électronique «grande surface», sur polymère? Uniquement si les coûts des technologies Si explosent et si P dissip. réduit! Au-delà ( 10 nm): électronique moléculaire! 28 Perspectives et conclusions Nouvelles mémoires embarquées non volatiles: utilisation de nouvelles générations de MNV (FeRAM ou MRAM) pour les sauvegardes de contexte et «démarrages instantanés», avec l arrivée d un challenger: PRAM. Ultérieurement: mémoires moléculaires (transition de spin), cf Azzedine BOUSSEKSOU, Directeur de Recherche CNRS, Responsable de l Equipe Propriétés Physiques Moléculaires du LCC/CNRS, Toulouse UPR8241 Alimentations: élément le plus bloquant actuellement. amélioration des cellules photovoltaiques (Rdt 60%!): 20 à 30 mwh/24h par cm 2 - µpac (Ethanol), Rdts. 50 %? Récupération d énergie: plus MEMs que nanotechnologies; mais annonce des nanofils de ZnO pour la nanopiezotronique Stockage énergie: Nouvelles batteries + performance (MEMS Li-ion), supercondensateurs (nano tubes!) Capteurs/actuateurs: Micro systèmes (température, pression, accélération, direction, ): technologies MEMs critiques et stratégiques (SiP plutôt que SoC), Low power ASIC (a 110 µw Interface ASIC for 3-Axis Micro-Accelerometer, ISSCC07), nano-piezotronique Nano systèmes (détecteurs de molécules, ) 29 Perspectives et conclusions Nécessité de «standards» de communication ouverts: IEEE ( a, ) Radios coopératives: coopération entre objets communicants mais également coopération entre systèmes BE et LB, radios cognitives, Applications: 1. Montée en puissance des applications santé (surveillance, maintien à domicile, ): effet de levier sur le secteur pour baisser les coûts des modules 2. Contrôle de l environnement: risques naturels, économies d énergie,. Profitera de la baisse des coûts, forte augmentation des volumes 3. Explosion des applications (personnelles, domiciles, transport, entreprise,..): nécessité de créer des lieux de rencontres multidisciplinaires Technologies: Technologies hétérogènes (Si, polymère, ) Généralisation des MEM s, puis des objets «nano» Le compromis énergie-communication reste un point dur sauf rupture majeure! 30 MINATEC IDEAs Laboratory : Une expérience unique de plateau d innovation multipartenaires Missions:... Imaginer les produits et services du futur intégrant les micro et nanotechnologies.... Créer une dynamique fertile grâce à la pluridisciplinarité des approches «techno push» et «usage pull».... Intégrer les ruptures induites par ces technologies et les intérêts des utilisateurs pour mieux répondre aux attentes du marché. Installation bâtiment 2003 Minatec 31 Vers des changements de société plus profonds? Développement des usages des TIC: Des attentes ambivalentes, voire paradoxales, vis à vis des nouvelles technologies et des usages de TIC: Demande de protection mais peur du contrôle Demande de traçabilité mais crainte d'être surveillé (Big Brother) Demande de connexion continue mais crainte de la dépendance TIC : Intrusion/invasion versus simplicité, ouverture, rapidité, Ces paradoxes font exister ensemble des phénomènes auparavant contradictoires, opposés, distincts Ils sont des symptômes de changements en cours dans nos manières de vivre en société: vers une vraie société de la connaissance? (cf. Philippe Mallein, Conseiller Scientifique Innovation et Usages, CNRS, CEA-Leti, Grenoble Université) 32
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