소비전력 세계 최소 웨어러블 생체 센서 기술 개발

2014년 11월 11일

<개요>

로옴 주식회사 (본사 : 교토)와 고베대학 대학원 시스템 정보학 연구과 정보과학 전공의 Yoshimoto Masahiko교수가 공동으로 NEDO 프로젝트인 「Normally-Off Computing 기반 기술 개발」에 있어서 차세대 웨어러블 생체 센서에 최적인 세계 최소 초저소비전력 기술 개발에 성공하였습니다.

본 기술은 비휘발성 메모리를 활용하여, 처리를 실행하지 않는 시간에는 전원을 적극적으로 OFF하여 대기전력 발생을 억제합니다. 필요에 따라 전원을 즉시 ON함으로써 「Normally-Off 동작」을 실현하여, 소비전력의 극소화를 달성하였습니다.

본 기술을 사용한 웨어러블 생체 센서 모듈은 체표면의 아주 작은 전위차 (심전파형)로부터 심박수를 취득합니다. (세계 최소 6µA) 뿐만 아니라, 가속도 센서 등 기타 디지털 출력 센서의 정보도 취득하여, 연산, 기록할 수 있습니다. 또한, 통신기기도 탑재하여 스마트폰으로 웨어러블 생체 센서를 제어하거나, 데이터 입출력이 가능합니다. 이러한 동작을 소비전류 38µA라는 기존 대비 1/5의 저소비전력으로 실현합니다.

※2014년 11월 11일 현재 로옴 조사

이미 고객의 요구에 대응하여 웨어러블 생체 센서 모듈의 공동 개발을 시작하였습니다. 또한, 소비전력을 기존 대비 1/10로 실현할 목표를 세워, 앞으로 로옴의 압전 MEMS (미세전기 기계 시스템) 디바이스와 조합한 배터리가 필요없는 웨어러블 생체 센서의 개발을 추진해 나갈 것입니다. 본 개발의 성과는 IEEE가 인정하는 국제학회 BioCAS (2014.10.22-24 : 스위스)에서 이미 발표하였으며, ASSCC (2014.11.10-12 : 대만)에서도 발표할 예정입니다.

<배경>

스마트폰 및 웨어러블 기기 등 모든 전자기기에서 「최소한의 전력 사용량 & 장시간 동작」은 영원한 과제입니다. 특히 웨어러블 기기는 고객이 장착 사실을 잊어버릴 정도로 배터리를 소형화하고 장시간 동작시킬 필요성이 있습니다.
이러한 과제에 대해 NEDO는 전원이 차단되어도 데이터가 보존되는 비휘발성 디바이스를 사용함으로써 궁극의 저전력을 지향하는 「Normally-Off Computing 기반 기술 개발」 프로젝트를 2011년에 시작하여 기업과 대학의 연구를 지원하고 있습니다.
그 중, 로옴과 고베대학 Yoshimoto 연구실은 로옴에서 장기간 제품 실적을 쌓은 비휘발성 메모리 (FeRAM)와 비휘발성 로직 기술을 최대한으로 활용하여, 독자적인 Normally-Off화 기술을 확립하였습니다. 이번에 이 기술을 로옴의 0.13µm CMOS 프로세스를 사용한 웨어러블 생체 센서용으로 전개하였습니다.

「Normally-Off」도입 전후 이미지웨어러블 생체 센서 소비전력 구성비

<세계 최소 달성이 가능했던 이유>

본 기술은 하기의 3가지 저전력화를 실현함으로써 세계 최소 소비전력을 달성하였습니다. Normally-Off 동작으로 전력 극소화

심박 취득부의 전력을 기존 대비 1/20으로 삭감
소비전력이 큰 심박 취득 아날로그부에 새롭게 개발한 노이즈 내성이 우수한 심박파형 취득 알고리즘을 적용하고, 일부를 Normally-Off 디지털 처리로 대체함으로써 기존 대비 1/20의 대폭적인 저소비전력화에 성공하였습니다.

메모리부의 평균 전력을 1/10 이하로 삭감
FeRAM을 응용한 새로운 구조의 비휘발성 RAM을 개발 · 탑재함으로써 동작에 필요한 스탠바이 전류를 대폭적으로 삭감하였습니다.

로직부의 소비전력을 1/2 이하로 삭감
ARM Cortex-M0을 포함하는 디지털 회로 블록에 비휘발성 로직을 적용함으로써 Normally-Off화하여 로직부의 전력을 대폭적으로 삭감하였습니다.

<어플리케이션 예>

세계 최소 소비전력 기술은 다음과 같은 어플리케이션에 최적입니다.

  • 웨어러블 생체 센서
  • 교량 등 구조물의 감시 센서
  • 농업용 센서
  • 에너지 하베스트 전원 대응 LSI
  • Parameter 조정 등의 비휘발성 기능 탑재 저전력 LSI

Fuel Band

<용어 설명>

  • Normally-Off
    시스템 내에서 동작이 필요한 구성 요소 이외의 전원을 적극적으로 차단하는 것. 전원 차단 시에도 시스템 상태 및 데이터가 보존되는 비휘발성 메모리 등의 디바이스가 필요하다.
    유사한 기술로 「간헐 동작」이 있으나, 동작 상태를 계속 유지할 필요가 있는 메인 구성 요소의 전원을 OFF하지 않아야 한다는 과제가 있다.
  • 비휘발성 디바이스
    전원이 차단되어도 데이터 및 상태가 유지되는 디바이스. 비휘발성 메모리의 대표적인 예로 플래시 메모리 및 FeRAM, EEPROM 등이 있다. 반대로 휘발성 메모리에는 DRAM, SRAM이 있다.
  • BioCAS (Biomedical Circuits and Systems Conference)
    IEEE에서 인정받은 국제학회로, 선진적인 생물 ㆍ 의학 분야에서의 혁신적 디바이스의 개발 발표 및 의견 교환을 실시하며, 올해로 10주년이 된다.
  • ASSCC (Asian Solid-State Circuits Conference)
    IEEE에서 인정받은 국제학회로, 아시아에서 개최된다. 반도체 분야에서의 최신 및 고도의 제품, 회로 기술 발표 및 의견 교환을 실시한다.

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