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第 3 节 自供电 AI 芯片（第1页）

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讨论芯片本身如何省电是一个方面，而如何做到对芯片「无电池」供电，让芯片做到「自供电」，又是另外一个重要方面。这可以通过为AI芯片另外配备芯片或传感器件，或直接在AI芯片上集成自供电电路来实现。

随着AI的发展，如何为AI芯片提供电力的问题将越来越重要。边缘侧的AI设备正在大规模普及，而基于云的解决方案对边缘侧设备来说实际上并不是有效的方法，如本书第2章提及的那样。除了效率之外，还有二氧化碳排放、数据隐私等问题。

另外，在全球安装了数十亿个边缘侧AI设备（如在每座城市的每个路口都安装摄像头或传感器，或为了保护林业资源在每棵树上安装AI数据分析设备）之后，没有哪种云能够处理这么大带宽的并发流量。而对于边缘侧设备来说，如果还是使用经常要更换的电池，就会造成很高的维护成本，并且有很多人类无法进入的危险场所，这对环境、对人工，都将会是一个沉重的负担。

其实在AI设备的周围存在着各种可以利用和采集的能源，这就需要判别哪些能源可以达到较高效率的电力转换。能量采集是指将环境能量从自然或人工环境转换为电能的过程。鉴于能量采集具有现场发电和补充能量存储的能力，它被认为是芯片自供电的突出解决方案。这样，AI设备的使用寿命可延长数月、数年甚至数十年，并最终实现其自我维持。

自供电并不是一个新发明。曾经风靡一时的矿石收音机就是一种不需要电源的调幅收音机（见图14.3a），当时这是一个了不起的创新。它利用一块带有活动探针的天然矿石作为检波器（见图14.3b），加上天线、地线、谐振电路和扬声器等制成收音机，就可以听到广播电台播出的节目了。20世纪50年代，人民邮电出版社还出版了《矿石收音机（修订版）》一书，受到广大无线电爱好者的喜爱（见图14.3c）。

图14.3不需要电源的矿石收音机

a）矿石收音机原理图b）可调节的矿石检波器c）《矿石收音机（修订版）》图书封面

一般来说，根据能源能量存在的形式，能量采集传感器可分为热电型、磁能型、辐射型和机械型。

热电型能量采集利用温差来产生电，而磁能型利用来自周围电缆的磁场变化产生电。辐射能主要是指不同波长的电磁波传播，可以采集转换为电能。光伏电池，也被广泛称为太阳能电池，可以利用光伏效应将可见光中的能量转换为电能。采集太阳能和室内光能已成为为能量采集器供电的一种常用方法。而射频（RF）能量采集通过使用RF天线从无线电信号的电磁辐射中捕获能量来发电。

机械能是比较特别的，几乎在任何地方和任何时间都可以使用，如柔和的气流、环境声音、振动、人体运动、海浪等。自然和人工环境中的振动可以通过4种传导机制转换为电能：压电、电磁体、静电和摩擦电。压电发电使用压电材料（如锆钛酸铅和聚偏二氟乙烯）薄膜的变形将机械应变转换为电能。可以通过压电来采集机器和人的行走产生的振动。电磁体利用法拉第电磁感应定律发电。静电传导是指当可变电容器的充电板在振动时产生移动时，随着可变电容器的电容值改变来输出交流电压。另外，摩擦会导致接触表面产生带电现象，新的摩擦电纳米发电器（TriboelectricNanogenerator，TENG）已经可以产生较高的电能（见14.2.3节）。

使用太阳能的AI芯片

初创公司Xnor.ai在2019年开发了一种采用太阳能AI技术的芯片，可以用于图像识别及其他应用。这个技术的关键是把神经网络架构和算法规模大大缩小，以致可以把软件安装到一个很简单的FPGA上，这需要算法和硬件上的创新。这样的FPGA仅需要2美元，而且其成本有可能降低至不到1美元。运行该芯片及其微型相机仅需要几毫瓦的功率。

该公司的研发人员把一块很小的太阳能板覆盖在AI芯片模块上（见图14.4）。在这样的超低功耗下，这种芯片每秒检测一次事物，无须将AI芯片连接到电源、更换电池或为它们充电。而且这些芯片将能够在独立设备上运行AI算法，而不必通过云与大型数据服务器进行持续通信。如果设备需要传递数据，则可以通过低功率的远程无线连接进行传输。

Xnor.ai的太阳能AI芯片足够轻，可以放到气球上，然后升到空中进行空中监视。这种自供电AI芯片可以找到大量的商业应用场景，如在家庭、街头或人迹罕至的地方；也可以投放到火灾区域或地震区，并判断哪里有需要救援的人；还可以散布在森林中，以监视野生生物或用作野火预警系统。

图14.4指甲大小的AI芯片模块，上面覆盖一块太阳能板，不需要电池（来源：Xnor.ai）

无线射频信号能量采集

利用射频信号来进行能量采集的想法，在开发手机无线充电技术的时候就已经开始实现了，现在已经相当成熟。如今，在日常生活中已广泛用于为移动设备（例如手机、笔记本电脑和平板电脑）充电的场景。但大部分无线充电使用了电磁感应方法，因此收端和发端的设备必须非常靠近。如果要真正达到随时随地都可以获取能量的效果，就必须进行信号的远程传输。

无线电力传输曾经是技术奇才尼古拉·特斯拉（NikolaTesla）的梦想。他发明了特斯拉线圈（TeslaCoil），其目的是产生在地球及其电离层之间传输的频率约为8Hz的径向电磁波，从而传递能量。之后几十年，也有不少研究人员和一些公司对这个想法进行实验。最近几年的技术进步已允许将电磁能通过电源从空中有效地传输到接收器设备。所谓的无线电力传输（WirelessPowerTransfer，WPT）技术，就是通过空中的无线电波，把能量远距离传送出去，让每个设备随时随地可以获得电能。这样的传输就类似于现在的4G、5G网络或WiFi网络，只是把传输信息改为了传输电力。

WPT是一项创新技术，它通过彻底改变能量的传输方式，理论上最终可以使人们的生活真正变成没有电线、全部无线的现实。

WPT由能量发射器和能量接收器组成。能量发射器能够控制其发射功率和波形的时间或频率，以便为需要不同能量水平的不同类型的能量接收器充电。每个能量接收器均配备有采集器电路，该采集器电路将接收到的射频信号转换为直流信号以为其内置的能量存储器（超级电容器）充电。图14.5描绘了一种基于射频的前瞻性WPT能量接收器架构，存储的能量用于为AI处理器、收发器和传感器供电。

图14.5WPT能量接收器的架构

改善总体电能转换效率的关键是优化整流器设计。由于整流器是传输所有传输功率的少数组件之一，因此整流器两端的电压降会导致明显的散热和功耗，因此必须将其最小化。这可以通过使用一些特殊的器件来实现，如肖特基二极管或浮栅二极管等。为了获得最佳的传输特性，应将能量接收器尽可能精确地调整到电磁场的频率。由于相关参数不仅难以在产品出厂前进行匹配，而且还会因环境变化而不断变化，因此使用动态自校准调整算法将会是一种较好的解决方法。利用这种算法可以定期将接收器输入处的阻抗匹配网络调整为最佳状态。

由于这样的能量接收器硬件可以做得很小，因此可以与AI芯片做在一起，很适合移动设备、嵌入式设备或可穿戴设备里的AI应用。随着基于射频的无线电力传输技术在实践中变得更加可行，下一步自然是部署专用WPT节点的专用网络，即无线电力传输网络（WPT

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Network，WPTN），旨在向附近的能量接收器从空中传输足够的功率。发射器由于具有广播特性，可同时向许多接收器提供能量。

到目前为止，为了组建一个有效的WPTN，研究人员已经投入了大量精力来设计能量发射器、能量接收器和WPTN的架构以优化几个目标，如采集的功率、能源中断、充电时延及安全性问题?[235]?；有的研究人员则提出了新颖的天线、整流器等方案?[236]?。

射频能量的主要好处是它不受障碍物的影响，可以被视线无法到达的接收器获取。而另一方面，它的传输效率非常低，根据弗里斯（Friis）传输方程，如果在900MHz范围内的自由空间中进行典型功率传输，仅经过1米的距离时，接收功率约为发射功率的-30dB（11000），之后每10米衰减20dB?[237]?。这是该技术目前只在低能耗设备和短距离场景应用的主要原因。弗里斯传输方程如下所示：

式中，P?R?为接收功率，P?T?为发射功率，G?T?为发射天线增益，G?R?为接收天线增益，λ为所使用的射频波长，d为接收器与发射器天线之间的距离。因此，传送到一个能量存储器（如一个电容器C）的功率由天线处的接收功率（P?R?）和射频采集器的效率（E?f?f?）的乘积给出：

如果发射器和接收器之间的距离为2米，在自由空间条件下，868MHz频率下的发射功率为0.5W（即27dBm），两个天线的增益均为1（G?T?=G?R?=1），则接收功率P?R?=88μW（即-10.5dBm）?[238]?。

G?T?、G?R?都与天线有关。因此，在WPT中，天线增益至关重要，从式（14.1）可以明显看出，它直接影响接收功率，进而影响系统性能。为此，有不少研究人员正在致力于研发专用的高增益天线架构。

WPT的工作大部分停留在学术界的实验室。但是，也有一些初创公司做出了一些新的尝试和突破。例如，Energous的WattUp技术不同于电磁感应式或谐振无线充电系统，它可在一定半径范围内对多个设备以各种角度进行无线充电，这对手机使用者来说是种非常奇妙的使用体验。

2018年初，美国联邦通信委员会（FCC）通过了对Energous中场WattUp发射器参考设计的认证，中场发射器充电距离可达3英尺（约0.9米），这也是FCC第一次将设备认证授予远距离无线充电设备。未来Energous将瞄准远场无线充电发射器，届时充电距离可达到15英尺（约4.6米）或更远，让无线充电像WiFi一样布满整个房间。

2019年2月，高通也针对无线充电推出了QuickCharge技术，以最大限度地降低输电损耗、减少终端装置内的发热、提高电池使用寿命，进而保护终端并改善使用者体验。对于5G手机而言，该公司的5GPowerSave技术基于联网状态下的非连续接收（3GPP规范中的C-DRX特性）技术，能够提高5G移动终端的电池续航能力，让其续航可以媲美目前的千兆级LTE终端。

蓝牙5的标准也纳入了射频能量采集，从而使未来的蓝牙运行不再需要电池。

近年来，有一些在研发模拟电路方面有优势的半导体芯片公司，也在积极研发商用能源采集器芯片。例如，意法半导体（STMicroelectronics）提供的芯片就是一种用于能量采集应用的自供电RFIC?[239]?，它集成了高性能宽带能量采集器（350MHz～2.4GHz），灵敏度为-18dBm，在868MHz时的功率效率约为45%，输入功率为-10dBm，并提供2.3V的平均输出电压。以上是目前一些较前沿的自供电芯片解决方案。

摩擦生电器件

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