Trong tương lai, chip bán dẫn năng lượng cực thấp (ULP) và có kích thước nhỏ có thể được đưa vào nhiều loại thiết bị khác nhau nhằm đa dạng hóa nhiều mô hình ứng dụng.

Pin cúc áo CR2032

Với hàng chục triệu chip bán ra thị trường trong mỗi tuần như hiện nay, các công nghệ sóng vô tuyến công suất thấp hoạt động trên dải tần 2,4GHz vốn rất phổ biến (như Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee và các giải pháp độc quyền khác) sẽ nhận được sự quan tâm nhiều hơn và bắt đầu "bùng nổ". Trong vài năm tới, nhiều phát triển ấn tượng sẽ xuất hiện và kết nối không dây sẽ "tràn ngập" khắp mọi nơi trong cuộc sống của chúng ta.

Trong đó, các ứng dụng không dây công suất cực thấp (ULP - ultra low power) – sử dụng thiết bị thu phát sóng vô tuyến (RF) rất nhỏ chạy bằng các pin cúc áo (CCB - coin cell battery), có thể gửi nhanh dữ liệu và sau đó trở về trạng thái "ngủ" (sleep state) – được đưa vào sử dụng tăng một cách đáng kể. Chẳng hạn, theo phân tích của ABI Research, thị trường chip cảm biến không dây (WSN - wireless sensor) tăng trưởng 300% trong năm 2010. Đồng thời, ABI cũng dự báo sẽ có ít nhất khoảng 467 triệu thiết bị chăm sóc sức khỏe sử dụng chip Bluetooth năng lượng thấp được bán ra thị trường vào năm 2016.

Khả năng kết nối không dây ULP có thể được đưa vào bất kỳ sản phẩm điện tử cầm tay nào, từ các cảm biến tình trạng sức khỏe và thiết bị y khoa nhỏ xíu cho đến điện thoại di động, máy tính, các dụng cụ máy móc, xe hơi....(xem thêm bài viết "10 công nghệ cho 10 năm tới, trang 67). Bộ thu phát ULP nhỏ có khả năng giao tiếp với hàng ngàn thiết bị khác (trực tiếp hay gián tiếp) qua mạng – giúp tăng sự hữu ích của thiết bị.

Công nghệ không dây ULP

Công nghệ không dây ULP khác với những gì được gọi là công suất thấp (LP- low power). Chẳng hạn, với công nghệ sóng vô tuyến tầm ngắn như Bluetooth (hiện được gọi là Classic Bluetooth để phân biệt với phiên bản mới phát hành Bluetooth 4.0 gồm có công nghệ năng lượng thấp Bluetooth ULP), để được đưa vào ứng dụng không dây ULP, Classic Bluetooth cần hoạt động với mức công suất thấp hơn đáng kể so với hiện tại. Thực tế cho thấy, Classic Bluetooth sử dụng mức năng lượng tương đối cao (ngay cả khi truyền phát dữ liệu ở mức nhỏ) bằng các pin có thể nạp lại. Với mức yêu cầu công suất này, Classic Bluetooth không phải là giải pháp không dây tốt cho các ứng dụng "băng thông thấp – kéo dài thời gian sử dụng" và nhu cầu sử dụng khi không tiện nạp pin thường xuyên. 

Chip Nordic nRF24L01 hỗ trợ bộ thu phát ULP 2,4GHz

Trong khi đó, bộ thu phát RF có thể chạy bằng pin cúc áo (chẳng hạn CR2032 hay CR2025) trong hàng tháng, thậm chí hàng năm (tùy thuộc vào chu kỳ ứng dụng). Pin này có kích thước nhỏ, giá vừa phải, nhưng năng lượng có hạn, thường chỉ từ 90-240mAh (thấp hơn pin AA từ 10 đến 12 lần; dòng điện không đáng kể, chỉ khoảng 200µA). Khả năng khiêm tốn này hạn chế đáng kể chu kỳ hoạt động của liên kết không dây ULP. Chẳng hạn, theo lý thuyết, pin CR2032 220mAh chỉ có thể duy trì dòng điện tối đa (hay tỉ lệ xả) là 25µA nếu hoạt động liên tục trong vòng một năm (220mAh/(24giờ x 365ngày)).

Điểm đặc trưng của chip vô tuyến silicon ULP là có dòng điện đỉnh (peak) chỉ 10µA. Chẳng hạn, bộ thu phát nRF24LE1 2,4GHz của Nordic Semiconductor chỉ sử dụng dòng điện 11,1mA (công suất ngõ ra 0dBm) khi truyền và 13,3mA (ở tốc độ 2Mbps) khi nhận. Nếu dòng điện trung bình bị hạn chế ở mức 10µA trong thời gian dài và chu kỳ hoạt động ở mức rất thấp (khoảng 0,25%) thì thiết bị sẽ chuyển sang chế độ "ngủ" (sleep mode).

Đa dạng các ứng dụng

Nếu bộ thu phát "ngủ" trong 99,75% thời gian, thiết bị sẽ rất khó "thức" để làm việc gì hiệu quả. Những bộ thu phát ULP làm việc hiệu quả sẽ phải "thức" tỉnh nhanh, gửi dữ liệu rất nhanh (từ 1Mbps hay 2Mbps) trước khi ngay lập tức trở về trạng thái "ngủ" - tiêu thụ năng lượng thấp.

Như chúng ta thấy, vì nhờ năng lượng dự trữ khiêm tốn nên bộ thu phát RF ULP không có khả năng đáp ứng cho các ứng dụng có chu kỳ hoạt động cao. Do vậy, bộ thu phát RF ULP không phải là "đối thủ" trực tiếp của các ứng dụng Wi-Fi và Classic Bluetooth. Tuy nhiên, hoạt động của bộ thu phát RF ULP mở ra một loạt các ứng dụng cho những công nghệ không dây khác.

Những ứng dụng này vô cùng đa dạng. ULP không dây hiện đã được đưa vào các lĩnh vực: thể thao, sức khỏe, giải trí, thiết bị ngoại vi dành cho máy tính, điều khiển từ xa, trò chơi, phụ kiện điện thoại di động, thiết bị tự động hóa cho nhà, các bộ phận điều khiển công nghiệp và những năm tới đây sẽ được đưa vào nhiều lĩnh vực khác.

Bên trong tòa nhà rộng lớn như sân bay, thẻ thiết bị đầu cuối BLP có thể thông báo cho hành khách vị trí của họ qua điện thoại di động.

Những ứng dụng này có một điểm chung là sử dụng sức mạnh của công nghệ không dây ULP – dựa vào các cảm biến kích thước nhỏ (compact sensor) và thiết bị ngoại vi sử dụng các loại pin nhỏ. Những thiết bị này gửi dữ liệu dung lượng nhỏ (thường là vài bit) không thường xuyên (chẳng hạn, một lần/vài giây đến vài lần/giây). Dù điều này phổ biến, nhưng các ứng dụng như thiết bị ngoại vi không dây dành cho máy tính, chẳng hạn chuột không dây, xe đạp điện toán (bike computer) và các cảm biến hiệu suất liên hợp (như máy đo khoảng cách và tốc độ), điều khiển từ xa bằng RF và cảm biến y khoa (như máy đo nhịp tim) có nhiều yêu cầu kỹ thuật khác nhau.

Hiểu theo cách đơn giản, kết nối không dây yêu cầu ở thiết bị thu phát một giao thức (điều khiển việc truyền nhận dữ liệu) và một bộ xử lý ứng dụng (với mã ứng dụng riêng chịu trách nhiệm giám sát từng ứng dụng, chẳng hạn như theo dõi nhịp tim). Nhưng làm thế nào để hệ thống không dây có các thành phần này đạt hiệu quả về kích thước và giá cả.

Để minh họa cho vấn đề này, chúng ta cùng xem 2 ví dụ thông qua các cách tiếp cận khác nhau: chuột không dây và xe đạp điện toán. Với chuột không dây ứng dụng RF ULP, những hãng sản xuất thường mong muốn chuột không dây phải có kiểu dáng đẹp, độ bền cao và giá bán phù hợp với nhiều người dùng. 

Hình: Chiếc đồng hồ Casio G-SHOCK được trang bị chip Bluetooth nRF8001

Đáp ứng tốt nhất cho yêu cầu ứng dụng này là một SoC (system-on-chip) gồm sóng vô tuyến (radio), giao thức của nhà cung cấp và bộ xử lý ứng dụng. Ngoài ra, nhà sản xuất cũng tối ưu hóa hiệu suất phần cứng và phần mềm nhằm đáp ứng các nhu cầu cho ứng dụng mục tiêu.

Một lợi thế quan trọng cho khách hàng (những nhà sản xuất chuột) là họ không phải tốn nhiều thời gian để phát triển, tiền bạc để chọn và mua bộ xử lý mở rộng (và kit phát triển liên quan), tạo mã chạy ứng dụng. Vì vậy, nhà sản xuất thiết bị thu phát RF ULP đóng góp một phần quan trọng trong việc thiết kế SoC.

Dù vậy, nếu muốn, khách hàng vẫn có thể phát triển giao thức riêng bằng cách sử dụng các kit do các hãng sản xuất thiết bị thu phát phát triển. Chẳng hạn, Nordic cung cấp SoC nRF24LE1 dành cho các thiết bị ngoại vi trên máy tính để bàn. nRF24LE1 gồm Nordic nRF24L01+ bộ thu phát ULP 2,4GHz, giao thức phần mềm Gazell chứa trong thẻ nhớ flash hay bộ nhớ lập trình được theo thời gian OTP (one time programmable) và vi điều khiển 8-bit nâng cao. Chip đơn này có kích thước 5x5mm, có thể phù hợp cho hầu hết các thiết kế chuột không dây kích thước nhỏ nhất.

Kết nối chip đơn

SoC có nhiều ưu điểm cho các ứng dụng. Tuy vậy, vẫn có một số hạn chế, chẳng hạn, việc tích hợp mức cao (high level of integration) sẽ dẫn đến tăng kích thước SoC, tăng giá thành. Như mô tả ở trên, những SoC không dây thông thường sẽ có một bộ vi điều khiển (microcontroller) nhưng nhiều ứng dụng có thể làm việc như một thiết bị để chạy các chức năng khác cũng có thể được sử dụng để điều khiển ứng dụng không dây.

Hơn nữa, một số kỹ sư có xu hướng thích chọn bộ vi xử lý do họ thiết kế, vì vậy, họ có rất nhiều ý tưởng cho thiết bị liên quan, không phụ thuộc vào thiết kế cứng nhắc. Điều này có nghĩa là sẽ có những bộ vi xử lý mới ra đời với chi phí rẻ hơn, tính năng phù hợp hơn, không cần mua bộ vi xử lý thiết kế sẵn.

Chẳng hạn, với chiếc xe đạp điện toán không dây, những tay đua xe đạp chuyên nghiệp hay nghiệp dư sử dụng các thiết bị gắn trên tay với những cảm biến theo dõi hiệu suất, tốc độ, khoảng cách, nhịp tim, lực đạp. Xe đạp điện toán là một thiết bị phức tạp có bộ xử lý riêng, có thể cung cấp chức năng không dây, vì thế không cần trang bị thêm chip không dây tích hợp vào bộ xử lý nhúng.

Xe đạp điện toán có thể kết hợp với nhiều cảm biến không dây khác nhau

Hình 3a: Chip Bluetooth năng lượng thấp Nordic nRF8001

Nordic và đối tác thiết kế của họ, ANT Wireless (Canada), là nhà sản xuất có nhiều năm kinh nghiệm trong việc cung cấp kết nối không dây cho xe đạp (thực tế, nhiều tay đua ở Tour de France 2010 đã sử dụng các cảm biến hiệu suất không dây kết nối với những chiếc xe đạp điện toán trang bị các chip của Nordic và phần mềm của ANT). Chip được dùng trong cảm biến không dây và xe đạp điện toán được các chuyên gia ưa chuộng là Nordic nRF24AP2.

Chip này gồm các tính năng: thu phát ULP 2,4GHz, giao thức không dây và bộ xử lý/vi điều khiển chất lượng cao, không có bộ xử lý ứng dụng nhằm tiết kiệm chi phí, giảm điện năng tiêu thụ và kích thước chip.

Nhu cầu liên tác

Một giải pháp kết nối không dây độc quyền (sử dụng công nghệ của một công ty duy nhất) sẽ luôn làm tốt hơn một công nghệ liên tác (interoperable technology), chẳng hạn ZigBee hay Bluetooth. Tại sao vậy? Vì nhà sản xuất có thể tối ưu giao thức mà không phải lo về vấn đề liên tác. Ưu điểm của giải pháp này là điện năng tiêu thụ thấp và giảm chi phí, nhưng nhược điểm là thiếu khả năng liên tác.

Giải pháp kết nối không dây độc quyền thiếu khả năng liên tác với các thiết bị của nhiều hãng khác sẽ gây khó khăn cho các OEM (Original Equipment Manufacturer) có yêu cầu công nghệ phải đảm bảo khả năng kết nối liền mạch với các chip không dây hiện có trên các sản phẩm của những công ty khác (chẳng hạn, chiếc xe đạp điện toán trong ví dụ trên có thể liên kết với các cảm biến của các công ty khác). Như vậy, khả năng liên tác phải được một liên minh chính thức của các công ty thương mại đảm nhiệm, chẳng hạn liên minh ZigBee, cơ quan tiêu chuẩn IEEE, hay các hiệp hội thương mại như Bluetooth SIG. Các chi tiết kỹ thuật của sản phẩm phải được kiểm tra để chứng nhận đảm bảo khả năng liên tác với một tiêu chuẩn cụ thể.

Dù việc nâng các chuẩn có thể mất một thời gian dài và kiểm tra để đạt chứng nhận cũng cần phải có thời gian cũng như chi phí tăng thêm của các nhà phát triển nhưng đây là những lợi thế đáng kể. Các giải pháp tương thích có xu hướng kích thích sự phát triển của thị trường vì các nhà sản xuất thiết bị tin rằng công nghệ này sẽ "bùng nổ" trong những năm tới; có nhiều nhà cung cấp chip cho thị trường sẽ tăng tính cạnh tranh, giá giảm nhưng phải đảm bảo chất lượng vì những nhà chế tạo chip cần phải đạt các quy định trong quá trình cấp chứng nhận.

ANT và công nghệ mô tả ở trên là một ví dụ điển hình về khả năng tương thích trong công nghệ không dây ULP. Công nghệ này được giám sát của liên minh với hơn 220 công ty và đã được áp dụng như chuẩn thực tế (de facto) cho các nhà sản xuất như Garmin và Trek trong lĩnh vực xe đạp. Và gần đây, ngoài nhà sản xuất chip bán dẫn Nordic, công ty bán dẫn khác đã bắt đầu bán các chip ANT. Tuy nhiên, giải pháp RF cự li ngắn thành công nhất (tính trên số lượng chip bán ra) vẫn là công nghệ không dây Bluetooth.

Mở rộng Bluetooth

Bluetooth SIG đã mở rộng công nghệ Bluetooth bằng phiên bản có thể hoạt động bằng pin cúc áo – Bluetooth 4.0 hay còn gọi là Bluetooth Low Power (BLP). Bluetooth năng lượng thấp được thiết kế để cho phép các cảm biến và thiết bị ngoại vi giao tiếp với nhau, và với nhiều thiết bị khác như điện thoại di động thế hệ mới.

Các nhà sản xuất chip bán dẫn hiện nay đang bán ra các chip BLP. Chẳng hạn, Nordic vừa công bố chip Bluetooth năng lượng thấp đầu tiên là nRF8001 (thuộc dòng µBlue), có 32 chân, kích thước 5x5mm, tích hợp bộ thu phát vô tuyến, bộ điều khiển liên kết và hệ thống phụ (host subsystem) – thích hợp cho đồng hồ, cảm biến, điều khiển từ xa giữa các ứng dụng khác. Gần đây, Casio đã tung ra đồng hồ G-SHOCK sử dụng chip BLP nRF8001 của Nordic.
Đồng hồ là một trong những sản phẩm thương mại đầu tiên sử dụng Bluetooth năng lượng thấp và có các tính năng như chỉnh thời gian từ điện thoại thông minh, cuộc gọi đến, email và báo tin nhắn tới từ smartphone và chức năng tìm kiếm cho phép người dùng định vị chiếc điện thoại bị thất lạc.

Chi phí trang bị và bảo trì thấp (vì ít khi phải thay pin) của các cảm biến Bluetooth năng lượng thấp sẽ được chú ý mở rộng ở những nơi công cộng. Một ứng dụng chính của Bluetooth năng lượng thấp là định vị trong nhà, cho những nơi không có tín hiệu GPS. Các cảm biến xung quanh tòa nhà rộng (chẳng hạn sân bay) liên tục phát thông tin về vị trí của nó. Điện thoại di động trang bị Bluetooth năng lượng thấp (Bluetooth Low Energy – BLE) đang ở trong phạm vi này sẽ hiển thị thông tin đến chủ nhân của nó. Ngoài ra, các cảm biến còn có thể phát các tin khác như thời gian và cổng đi cho chuyến bay, các vị trí nhà vệ sinh, hay các chương trình giảm giá đặc biệt ở các cửa hàng gần đó.
Bên trong tòa nhà rộng lớn như sân bay, thẻ thiết bị đầu cuối BLE có thể thông báo cho hành khách vị trí của họ qua điện thoại di động.

Các chip Bluetooth phiên bản 4.0 đang trong quá trình hoàn thiện, các thiết bị như điện thoại di động sẽ bắt đầu được trang bị chip BLP trong năm nay. Svenn-Tore Larsen, CEO của Nordic Semiconductor, cho biết một khi những nhà thiết kế theo phương thức giá rẻ để thêm một liên kết không dây đến bất kỳ thiết bị nào chiếm ưu thế về pin, thậm chí có pin nhỏ nhất thì tiềm năng ứng dụng sẽ rất lớn. Các nhà thiết kế bằng mọi cách sử dụng liên kết này.

Tham khảo: eetimes.com, nordicsemi.com, newelectronics.co.uk

Theo PCWorld VN