電力効率を3桁向上させるセンサネットワークのレイヤ間垂直統合研究

2009 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 09J00333
• Research Institution: Kobe University
• Principal Investigator: 和泉 慎太郎 Kobe University, 工学研究科, 特別研究員(DC1)
• Keywords: センサネットワーク / 低消費電力 / 垂直統合設計 / VLSI

Research Abstract

今年度の研究では、時刻同期型MACフロトコル(1-MAC)に運動した電源管理システムとデータ収集のための分割SRAMを有する1-chipセンサノードSoCの垂直統合設計を行った。I-MACはノード間で時刻を同期することによって通信手順を最小化し、通信時の電力オーバーヘッドを削減するプロトコルである。I-MACのハードウェア実装を行い、プロセッサ部の動作時電力削減を行った。さらに、I-MACに連動してセンサノードLSIを機能ブロックごとに電源・クロック制御する電源管理回路を提案し、待機時の消費電力を削減した。また、データ用メモリの電源ラインを分割し、送受信データ量にあわせて制御することで、大容量のメモリを用いた場合でもリーク電力を削減できることを示した。以上の提案技術により、通信時、CPU動作時、待機時すべてにおいてセンサノードの消費電力を削減できた。
また、CMOS 180nmプロセスを用いてセンサノードLSIの試作を行った。設計したセンサノードはトランシーバ、通信制御用マイクロコントローラ、電源管理モジュール、データ用SRAMから構成される。試作したチップの消費電力測定を行い、ネットワークシミュレータにフィードバックすることによって、ネットワーク環境下におけるノードの平均消費電力を見積もった。その結果、1日に24回のデータ収集を行うネットワーク環境において6.34uW、10分間隔で収集を行うネットワーク環境において58uWの平均消費電力を達成した。今回の試作ではトランシーバ部分の消費電力を重視せず設計を行ったため、最終的に受信機の消費電力が支配的であるという結果が得られた。無線機アーキテクチャの検討により、さらなる低消費電力化が見込まれる。
以上の結果により、エナジーハーヴェスティングによるバッテリレスセンサノードのために必要なサブuWの平均消費電力達成の見通しを得た。

Research Products

• [Journal Article] A 58-uW Single-Chip Sensor Node Processor with Communication Centric Design (2010)
  • Author(s): S.Izumi, T.Takeuchi, T.Matsuda, H.Lee, T.Konishi, K.Tsuruda, Y.Sakai, H.Kawaguchi, C.Ohta, M.Yoshimoto
  • Journal Title: IEICE Transactions on Electronics vol.E93-C, no.3 Pages: 261-269
  • Peer Reviewed
• [Presentation] A Single-Chip Sensor Node LSI with Synchronous MAC Protocol and Divided Data-Buffer SRAM (2009)
  • Author(s): 竹内隆, 和泉慎太郎, 松田隆志, 李赫鍾, 小西恵大, 鶴田嵩, 酒井康晴, 川口博, 太田能, 吉本雅彦
  • Organizer: IEEE International SoC Design Conference
  • Place of Presentation: BEXCO Convention Halls in Busan, Korea(South)
  • Year and Date: 20091122-20091124
• [Presentation] 時刻同期型MACプロトコルを用いる58-uWワンチップセンサノードプロセッサ (2009)
  • Author(s): 和泉慎太郎、竹内隆、松田隆志、李赫鍾、小西恵大、鶴田嵩、酒井康晴、川口博、太田能、吉本雅彦
  • Organizer: 集積回路研究会(ICD)
  • Place of Presentation: キャンパス・イノベーションセンター東京(東京都)
  • Year and Date: 2009-10-09
• [Presentation] A 58-uW Single-Chip Sensor Node Processor Using Synchronous MAC Protocol (2009)
  • Author(s): T.Takeuchi, S.Izumi, T.Matsuda, H.Lee, Y.Otake, T.Konishi, K.Tsuruda, Y.Sakai, H.Fujiwara, C.Ohta, H.Kawaguchi, M.Yoshimoto
  • Organizer: IEEE/JSAP Symposium on VLSI Circuits
  • Place of Presentation: RIHGA Royal Hotel Kyoto, Kyoto, Japan
  • Year and Date: 2009-06-03
• [Presentation] 時刻同期型MACプロトコルの垂直統合設計によるセンサノードVLSIの低消費電力化 (2009)
  • Author(s): 和泉慎太郎、松田隆志、竹内隆、川口博、太田能、吉本雅彦
  • Organizer: LSIとシステムのワークショップ2009
  • Place of Presentation: 北九州国際会議場(福岡県)
  • Year and Date: 2009-05-20
• [Remarks]
  • URL: http://www28.cs.kobe-u.ac.jp/~shin/