Торстен Гурцан, мастер-акустик слуховых аппаратов Siemens Audiologische TechnikС каждым новым поколением слуховых аппаратов объем встроенных функций возрастает. Но то, что хорошо для владельца, постоянно ставит перед разработчиками трудную задачу: несмотря на все инновации, сохранять низкий уровень энергопотребления. Ключевой точкой при этом является конструкция чипа слухового аппарата.
Твердый орешек – батарейка
Специалисты очень хорошо знают, что энергопотребление слухового аппарата и связанные с этим расходы на батарейки зачастую становятся одним из весомых аргументов при выборе клиентом модели аппарата. Помимо этого, энергопотребление СА определяет, целесообразно ли применять аккумулятор вместо батарейки. Примерно каждые 18-24 месяца на рынке появляются новые слуховые аппараты с заметно большим объемом функций, в то время как цикл развития батареек, как правило, гораздо дольше. И это относится не только к нашей отрасли. Например, первые мобильные телефоны нужно было, как правило, заряжать раз в неделю. В отличие от этого, почти все современные смартфоны нуждаются в ежедневной дозе из розетки. Если мы не хотим, в ущерб потребителям, сокращать время работы батарейки, производителям приходится учитывать конечное энергопотребление при конструировании нового слухового аппарата. Особое значение при этом придается конструкции чипа.Более эффективное использование алгоритмов
Современные слуховые аппараты представляют собой миниатюрные компьютеры с мощными чипами, которые в течение нескольких секунд производят много миллионов расчетных операций. Команды к проведению этих операций, так называемые алгоритмы, точно устанавливают, какие шаги и в какой последовательности нужно предпринять для решения задачи. Каждое отдельное действие в электронном вычислителе требует энергии. Чем больше действий или расчетных операций необходимо провести, тем больше тока необходимо для проведения электронного расчета. Если этот процесс удается сократить, получив при этом желаемый результат, то энергию можно сэкономить. Итак, чтобы держать потребление тока на низком уровне, чрезвычайно важно постоянно оптимизировать программные коды для техники микрочипа.В зависимости от потребности, некоторые процедуры, временно ненужные, целесообразно погружать в своеобразный «спящий режим». Так, например, можно сэкономить энергию во всенаправленном режиме микрофона, если схема, предназначенная для расчета направленности на основании сигналов двух микрофонов, перейдет в режим ожидания. Несмотря на это, нецелесообразно деактивировать на короткое время каждый неиспользуемый в данный момент процесс, потому что его включение потребует кратковременного повышения тока. Поэтому для общего баланса важно создать специальную конструкцию чипа, приспособленную к существующим алгоритмам и функциям.
Варьируемые настраиваемые напряжения
Решающую роль также играют настраиваемые рабочие напряжения внутри чипа для разных компонентов его системы, таких, как память, процессор, АЦП, а также радиоприемник и радиопередатчик. Так как в интегральных схемах потребление тока с возрастанием напряжения повышается, то, согласно правилу «так много, как нужно, и так мало, как только можно», целесообразно подавать на каждый компонент индивидуально подобранное напряжение.Крохотные структуры и проводники
По сути микрочип состоит из множества транзисторов. Чем больше транзисторов содержит чип, тем больше расчетных операций он может выполнить за определенную единицу времени, и тем выше его эффективная расчетная мощность. Трудность заключается в том, чтобы не позволять энергопотреблению повышаться в равном объеме. Решение – полупроводниковая технология с уменьшением структур.Микрочипы работают в бинарном режиме, то есть имеют два дискретных состояния «0» и «1», которые называются биты. При этом «1» обозначается подачей напряжения. При «0» напряжение отсутствует. В качестве примера приведем чип Micon фирмы Siemens, который выполняет до 250 нанобит в секунду. Это дает до 250 миллионов процессов перезаряда проводников, которые, кстати, в 1000 раз тоньше человеческого волоса. Чем меньше поперечное сечение проводника, тем меньше электронов нужно, чтобы получить требуемый или желаемый потенциал напряжения и, следовательно, тем меньше будет и энергопотребление. Но чем меньше проводники и транзисторы, тем легче электроны могут пробить изоляцию. Эти пробои приводят к так называемому току утечки, который отрицательно действует на баланс тока. Трудность в данном случае заключается в том, чтобы найти идеальный баланс между маленькими размерами структур и связанными с этим токами утечки. Но ток утечки всегда должен быть значительно ниже тока саморазрядки батарейки.
Варьируемая тактовая частота
Наивысшее энергопотребление возникает при процессе перезаряда проводников. Поэтому здесь существуют максимальные возможности для экономии. Тактовая частота определяет число бит-операций в единицу времени. Чтобы ограничить число бит-операций, а вместе с ним и процессов перезаряда, тактовая частота должна соответствовать необходимой расчетной мощности. Для наглядного показа таких возможностей экономии опять можно привлечь чип Micon. Он оцифровывает входной сигнал вначале с частотой 24 кГц, чтобы можно было добиться максимальной ширины полосы 12 кГц. Для дальнейшей обработки сигнала происходит его разделение в так называемом банке фильтров на 48 каналов, ширина каждого из которых составляет 250 Гц. Зависимость тактовой частоты и потребления тока, а вместе с ним и потенциальной экономии, представлена на Рис. 1.
Рис. 1. Показано потребление тока воображаемой электрической схемы в зависимости от тактовой частоты и напряжения. Чем выше тактовая частота, тем выше и потребление тока. Поэтому для энергосберегающей системы особенно важно работать с соответствующими тактовыми частотами для разных областей.
Согласно теореме отсчетов Найквиста-Шеннона, отдельные каналы с сильно уменьшенной шириной полосы и необходимой для этого пониженной тактовой частотой в отдельных полосах могут работать без потери качества, зато с колоссальной экономией энергии. При этом теорема отсчетов гласит, что сигнал с шириной полосы Fmax должен обрабатываться с частотой как минимум 2*Fmax, чтобы из дискретного сигнала можно было вновь реконструировать точный сигнал.
Специализированные электронные схемы
Ядро процессора чипа слухового аппарата, как правило, выполняет не все расчетные операции самостоятельно. Для этого существуют дополнительные особые электронные схемы, которые поддерживают ядро процессора при выполнении алгоритмов. Например, современные компьютеры оснащены графической платой – собственным процессором, который выполняет все расчетные операции, необходимые для выдачи графики, разгружая тем самым главный процессор. Такие же схемы, только ориентированные на обработку аудио-сигналов, интегрированы и в чип слухового аппарата. Каждая из этих высокоспециализированных схем (например, направленное подчеркивание речи или частотная компрессия), ориентирована на проведение строго определенной расчетной операции, а потому работает чрезвычайно эффективно. Алгоритмы, требующие максимального количества расчетов, действуют в основном в этих «вынесенных» системах. Например, в технологии Micon (Siemens) главный процессор обрабатывает входной сигнал не сам, а посылает его в специальный банк фильтров (входная ступень), который после обработки возвращает главному процессору 48 каналов. Сам процессор лишь незначительно загружен этой обработкой. Основную задачу принимает на себя специальная схема, интегрированная в чип.Для еще большей экономии энергии каждая из этих схем приспособлена к определенному алгоритму. В то время как универсальная стандартная техника проводит расчетные операции, например, всегда с частотой 16 или 24 бита, то специальная схема позволяет ограничиться лишь необходимыми битными операциями. Можно было бы провести полную обработку сигнала слухового аппарата в ядре процессора чипа без этих специальных схем. Но в этом случае потребовалась бы очень мощная нагрузка, и слуховой аппарат ни в коем случае не выдержал бы такого энергопотребления. Благодаря специализированному микрочипу можно добиться компромисса между потреблением тока и гибкостью. А потому при новых разработках всегда необходимо адаптировать чип и специальные схемы. Но эти усилия оправдывают себя, так как владелец слухового аппарата пользуется энергосберегающей технологией.
