L'Internet des objets (IoT), alors qu'il est encore à ses balbutiements, façonne l'avenir de nombreuses industries et aura également un impact significatif sur la vie quotidienne. L'un des principaux défis du passage des appareils IoT du concept à la réalité est d'avoir un fonctionnement durable avec des sources d'énergie étroitement limitées, et donc une efficacité énergétique extrême. Les appareils IoT tels que les capteurs sont souvent déployés à grande échelle et dans des endroits généralement éloignés et difficiles à entretenir régulièrement, rendant ainsi leur autosuffisance indispensable.

Actuellement, les batteries des appareils IoT sont beaucoup plus grosses et jusqu'à trois fois plus chères que la seule puce qu'elles alimentent. Leur taille est déterminée par la durée de vie du nœud capteur, ce qui affecte directement la fréquence à laquelle ils doivent être changés. Cela a une incidence importante sur les coûts de maintenance et l'impact sur l'environnement lorsque les batteries sont mises au rebut. Pour prolonger la durée de vie globale, la batterie est généralement rechargée lentement en récupérant une certaine puissance limitée de l'environnement, comme l'utilisation d'une cellule solaire. Cependant, les appareils IoT existants ne peuvent pas fonctionner sans batterie, et les petites batteries sont complètement déchargées plus fréquemment. D'où, la miniaturisation de la batterie entraîne souvent un fonctionnement très discontinu des appareils IoT, car ils cessent de fonctionner à chaque fois que la batterie est à court d'énergie.

Pour combler cette lacune technologique, une équipe d'ingénieurs de l'Université nationale de Singapour (NUS) a développé une puce électronique innovante, nommé BATLESS, qui peut continuer à fonctionner même lorsque la batterie est à court d'énergie. BATLESS est conçu avec une nouvelle technique de gestion de l'alimentation qui lui permet de démarrer automatiquement et de continuer à fonctionner dans la pénombre sans aucune assistance de batterie, en utilisant une très petite cellule solaire sur puce. Cette percée de la recherche réduit considérablement la taille des batteries nécessaires pour alimenter les nœuds de capteurs IoT, ce qui les rend 10 fois plus petits et moins chers à produire. La percée a été présentée lors de la conférence International Solid-State Circuits Conference (ISSCC) 2018 à San Francisco, le premier forum mondial pour présenter les avancées dans les circuits à semi-conducteurs et les systèmes sur puce.

Le chef de l'équipe de recherche NUS, Professeur agrégé Massimo Alioto à la Faculté de génie NUS, mentionné, « Nous avons démontré que les batteries utilisées pour les appareils IoT peuvent être considérablement réduites, car ils n'ont pas toujours besoin d'être disponibles pour maintenir un fonctionnement continu. S'attaquer à ce problème fondamental est une avancée majeure vers la vision ultime des nœuds de capteurs IoT sans l'utilisation de batteries, et ouvrira la voie à un monde avec un billion d'appareils IoT."

L'indifférence de la batterie est la capacité des appareils IoT à continuer à fonctionner même lorsque la batterie est épuisée. Il est obtenu en fonctionnant selon deux modes :énergie minimale et puissance minimale. Lorsque l'énergie de la batterie est disponible, la puce fonctionne en mode d'énergie minimale pour maximiser la durée de vie de la batterie. Cependant, lorsque la batterie est épuisée, la puce passe en mode d'alimentation minimale et fonctionne avec une très faible consommation d'énergie d'environ un demi-nano-Watt, soit environ un milliard de fois moins que la consommation d'énergie d'un smartphone lors d'un appel téléphonique. L'alimentation peut être fournie par une très petite cellule solaire sur puce d'environ un demi-millimètre carré de surface, ou d'autres formes d'énergie disponibles à partir de l'environnement, comme les vibrations ou la chaleur.

La capacité de la puce à basculer entre le mode d'énergie minimale et le mode de puissance minimale se traduit par une miniaturisation agressive des batteries de quelques centimètres à quelques millimètres. La micropuce BATLESS permet à la capacité rare de détecter sans interruption, traiter, capturer et horodater les événements d'intérêt, et pour que ces données précieuses soient transmises sans fil au cloud lorsque la batterie sera à nouveau disponible. Bien qu'il soit en mode d'alimentation minimale lorsque la batterie n'est pas disponible, la vitesse réduite de la puce est encore suffisante pour de nombreuses applications IoT qui ont besoin de détecter des paramètres qui varient lentement dans le temps, y compris la température, humidité, léger, et la pression. Parmi de nombreuses autres applications, BATLESS est très bien adapté aux bâtiments intelligents, surveillance de l'environnement, gestion de l'énergie, et l'adaptation des espaces de vie aux besoins des occupants.

Assoc Prof Alioto ajouté, « BATLESS est le premier exemple d'une nouvelle classe de puces indifférentes à la disponibilité de la charge de la batterie. En mode puissance minimale, il utilise 1, 000 à 100, 000 fois moins de puissance, par rapport aux meilleurs microcontrôleurs existants conçus pour un fonctionnement à énergie minimale fixe. À la fois, notre microcontrôleur 16 bits peut également en faire fonctionner 100, 000 fois plus rapide que d'autres qui ont été récemment conçus pour un fonctionnement à puissance minimale fixe. En bref, la puce BATLESS couvre une très large gamme d'énergies possibles, Puissance, et les compromis de vitesse, comme le permet la flexibilité offerte par les deux modes différents."

BATLESS est également équipé d'une nouvelle technique de gestion de l'alimentation qui permet des opérations de démarrage automatique tout en étant alimenté directement par la minuscule cellule solaire sur puce, sans assistance de batterie. L'équipe l'a démontré à une intensité lumineuse intérieure de 50 lux, ce qui équivaut à la faible lumière disponible au crépuscule, et correspond à des nano-Watts de puissance. Cela rend BATLESS indifférent à la disponibilité de la batterie, relever un défi jusque-là non résolu dans les puces sans batterie.

L'équipe d'ingénierie NUS explore actuellement de nouvelles solutions pour construire des systèmes complets sans batterie qui couvrent l'ensemble de la chaîne de signal, du capteur aux communications sans fil, élargissant ainsi les travaux en cours sur les microcontrôleurs et la gestion de l'alimentation. L'équipe de recherche vise à démontrer une solution qui réduit la batterie à l'échelle millimétrique, dans le but à long terme d'en éliminer complètement le besoin. Ce sera une étape majeure vers la réalisation de la vision de l'IoT dans le monde entier, et aussi rendre la planète plus verte et plus intelligente.