xMEMS Launches Miniaturisierten Festkörper-Kühlchip für Smart Glasses

xMEMS Labs hat den XMC-1200 vorgestellt, einen festkörperbasierten Mikro-Lüfter, der eines der größten Hindernisse für Smart Glasses angeht, ohne die Rahmen schwerer, dicker oder lauter zu machen.

Das in Santa Clara ansässige Halbleiterunternehmen beschreibt den XMC-1200 als den kleinsten aktiven Mikro-Lüfter der Welt. Mit einer Fläche von 46 Quadratmillimetern und einem typischen Stromverbrauch von etwa 70 Milliwatt, wenn er mit dem Astra2-Antrieb-ASIC (Application-Specific Integrated Circuit) des Unternehmens kombiniert wird, ist der Chip klein genug, um in die Bügel von Augmented-Reality-(AR)-, Extended-Reality-(XR)- und künstlicher-Intelligenz-(KI)-Glasses integriert zu werden.

Bei einer thermischen Last von einem Watt kann das System die Temperaturen um bis zu 10°C senken, so xMEMS. Engineering-Muster sind jetzt unter Geheimhaltungsvereinbarungen für qualifizierte Hersteller und Technologiepartner verfügbar, mit Produktionsbereitschaft für das vierte Quartal 2027 geplant. Smart Glasses haben ein Hitzeproblem

Smart Glasses entwickeln sich allmählich von relativ einfachen Kamera- und Audiozubehör zu kompakten Rechenplattformen, die Computer-Vision, Echtzeit-Übersetzung, multimodale Assistenten, Navigation und hochauflösende Displays ausführen können.

Diese Fähigkeiten erfordern immer leistungsfähigere Prozessoren, Bildsensoren, Konnektivitätskomponenten und Lichtmaschinen. Jeder dieser Komponenten erzeugt Wärme in einem Gerät, das leicht, leise und komfortabel gegen die Haut des Trägers sein muss.

Traditionelle passive Kühlungssysteme, einschließlich Graphitblätter, thermischer Pads, Wärmeleiter und Dampfkammern, können Wärme innerhalb eines Geräts verteilen. Sie können jedoch keinen Luftstrom erzeugen. In luftdicht abgeschlossenen Gehäusen kann Wärme um Prozessoren und andere Komponenten herum eingeschlossen werden und letztendlich dazu führen, dass das Gerät seine Leistung reduziert oder unangenehme Temperaturen auf den Rahmen überträgt. Thermische Einschränkungen können sich auf verschiedene Aspekte der Benutzererfahrung auswirken. Prozessoren können während anhaltender KI-Workloads gedrosselt werden, Kameras können Aufnahmelimits auferlegen und Displays können ihre Helligkeit reduzieren, um Temperaturen zu kontrollieren. Die in einem Bügel erzeugte Wärme kann auch dazu führen, dass die Glasses während längerer Nutzung unangenehm werden.

Ein Mikro-Lüfter, der mit Halbleitertechnologie gebaut wird

Der XMC-1200 ähnelt nicht den Miniatur-Lüftern, die in Laptops oder anderen Consumer-Elektronikgeräten verwendet werden. Stattdessen wird er aus Silizium unter Verwendung der piezoelektrischen Mikro-Elektro-Mechanik-Plattform (piezoMEMS) von xMEMS hergestellt.

Wenn an eine dünne piezoelektrische Folie eine Spannung angelegt wird, dehnt sich das Material bei ultrasonischen Frequenzen aus und zusammen. Diese Bewegung treibt mikroskopische Membranen an, die kontinuierliche Luftimpulse durch Präzisionsventilstrukturen erzeugen. Der resultierende Luftstrom kann auf einen Prozessor, eine Display-Engine, einen Sensor oder eine andere konzentrierte Wärmequelle gerichtet werden. Diese Architektur vermeidet die Verwendung von rotierenden Motoren und Lagern, die in herkömmlichen Lüftern verwendet werden. Dies ermöglicht es dem Kühlgerät, in einem etwa ein Millimeter dünnen Paket zu arbeiten, während es die mechanische Komplexität, den Lärm und die Vibration reduziert.

Der XMC-1200 kann einen Luftstrom von bis zu 10 Kubikzentimetern pro Sekunde und einen Rückdruck von bis zu 1.100 Pascal liefern, so die aktuellen Produktspezifikationen des Unternehmens. Er ist auch als IP68 für die Widerstandsfähigkeit gegen Staub und Wasser ausgelegt, was für Elektronik, die den ganzen Tag getragen wird, wichtig ist. Anstatt Wärmeleiter oder andere passive Komponenten zu ersetzen, soll der Chip diese ergänzen. Der aktive Luftstrom stört die Schicht stagnierter warmer Luft um eine heiße Komponente herum, sodass Wärme effektiver in die breitere thermische Struktur des Geräts übertragen werden kann.

Zielgerichtete Kühlung für Displays, Prozessoren und Kameras

Ein potenzieller Anwendungsfall ist die Kühlung der Lichtmaschinen, die in AR- und XR-Displays verwendet werden.

Mikro-Display-LEDs und laserbasierte Systeme können ihre Wellenlänge und Ausgangsleistung ändern, wenn ihre Temperaturen steigen. Diese Änderungen können zu Farbverschiebungen, reduzierter Helligkeit oder inkonsistenter Bildqualität während längerer Nutzung führen. Zielgerichteter Luftstrom könnte helfen, diese Komponenten innerhalb eines stabilen Betriebsbereichs zu halten.

Die Kühlung von Prozessoren stellt einen weiteren Anwendungsfall dar. Echtzeit-Übersetzung, Sprachinteraktion, visuelle Erkennung und On-Device-KI-Schlußfolgerung erfordern anhaltende Rechenleistung und nicht nur kurze Prozessschübe. Ohne ausreichenden thermischen Spielraum kann ein System-on-Chip (SoC) schnell seine Taktfrequenz reduzieren, um Überhitzung zu vermeiden.

Kamera-Glasses stehen vor ähnlichen Einschränkungen. Hochauflösende Bildsensoren, Video-Encoder und drahtlose Verbindungen erzeugen Wärme gleichzeitig während der Aufnahme. Aktive Kühlung in der Nähe dieser Komponenten könnte es Herstellern ermöglichen, längere Aufnahmesitzungen ohne dramatische Erhöhung der Rahmengröße zu unterstützen.

Die gleiche Technologie könnte auch dazu beitragen, die externe Temperatur der Glasses zu kontrollieren. Durch die Ableitung von Wärme von der Elektronik, bevor sie die Oberfläche des Bügels erreicht, könnten Geräte während längerer Tragedauer komfortabler gemacht werden.

Erweiterung des µCooling-Portfolios

Der XMC-1200 ist das kleinste Mitglied eines breiteren aktiven Kühl-Portfolios, das von xMEMS entwickelt wird.

Das XMC-2400 des Unternehmens ist für leistungsstärkere Anwendungen wie XR-Glasses, persönliche Solid-State-Laufwerke und andere Edge-KI-Systeme konzipiert. Die aktuellen Spezifikationen umfassen einen Luftstrom von bis zu 28 Kubikzentimetern pro Sekunde und einen typischen Stromverbrauch von etwa 150 Milliwatt.

Ein größeres XMC-4800-Modell ist für Smartphones, Datacenter-Speichersysteme und andere Anwendungen mit höherem Luftstrombedarf ausgelegt. Das Unternehmen listet dieses Produkt mit bis zu 48 Kubikzentimetern pro Sekunde und einem typischen Stromverbrauch von etwa 240 Milliwatt. Dies spiegelt eine umfassendere Strategie wider, Halbleiterherstellungsverfahren auf die thermische Verwaltung in verschiedenen Gerätekategorien anzuwenden. Anstatt einen Lüfter-Design für jedes Produkt zu verwenden, könnten Hersteller möglicherweise Chips basierend auf der Größe des Gehäuses, der verfügbaren Leistung, des Luftstrombedarfs und der Lage von einzelnen Hotspots auswählen.

Das 2018 gegründete xMEMS konzentrierte sich zunächst auf feste MEMS-Lautsprecher für Ohrhörer, Smartwatches, Kopfhörer und Glasses. Das Unternehmen hat seitdem die gleiche zugrunde liegende piezoMEMS-Plattform auf die thermische Verwaltung ausgeweitet und verfügt über mehr als 300 erteilte Patente weltweit. Die kommerzielle Akzeptanz hängt von der Systemleistung ab

Die Herstellung eines Kühlkomponenten, der klein genug für Smart Glasses ist, ist nur ein Teil der Ingenieurherausforderung.

Hersteller müssen bestimmen, wie der Luftstrom durch Rahmen fließen soll, die möglicherweise gegen Feuchtigkeit und Staub abgedichtet sind. Sie müssen auch die Auswirkungen des Kühlchips auf die Akkulaufzeit, die Platzierung interner Komponenten, die akustische Leistung, die Haltbarkeit und die Außentemperaturen bewerten.

Der relativ geringe Stromverbrauch des XMC-1200 könnte ihn für eine selektive Betriebsweise geeignet machen. Ein Gerät könnte die Kühlung nur während der Videoaufnahme, anspruchsvoller KI-Schlußfolgerung, hoher Displayhelligkeit oder anderer anhaltender Workloads aktivieren und nicht kontinuierlich betreiben.

Der längere Produktionszeitplan zeigt auch, dass die Technologie noch in einem frühen Stadium ist. Obwohl Engineering-Muster verfügbar sind, sind Consumer-Geräte, die den XMC-1200 verwenden, unwahrscheinlich, bevor Hersteller umfassende Tests durchgeführt und den Chip in zukünftige Hardware-Designs integriert haben.

Das größere XMC-2400 ist bereits in Massenproduktion und unterstützt die ersten Glasses-bezogenen Einsatzmöglichkeiten des Unternehmens, was Herstellern eine derzeit verfügbare Option für Designs mit mehr Platz oder höheren thermischen Lasten bietet.

Aktive Kühlung könnte tragbare KI neu gestalten

Smart Glasses wurden traditionell unter strengen thermischen Grenzen entworfen. Hersteller haben diese Grenzen durch Software-Einschränkungen, intermittierende Workloads, reduzierte Displayhelligkeit und konservative Prozessorleistung gemanagt.

Mikro-Skala aktive Kühlung schafft eine weitere Option. Anstatt jede Fähigkeit um eine feste Hitze-Decke herum zu konstruieren, könnten zukünftige Wearables Wärme während anspruchsvoller Aufgaben dynamisch entfernen und zu passivem Betrieb zurückkehren, wenn die Workloads sinken.

Dies könnte längere Aufnahmesitzungen, konsistentere Displayqualität und KI-Funktionen unterstützen, die kontinuierlich anstelle von kurzen Schüben arbeiten. Es könnte auch ermöglichen, dass mehr Verarbeitung auf dem Gerät bleibt und die Abhängigkeit von Smartphones oder Cloud-Infrastruktur reduziert wird.

Die breitere Bedeutung geht über einen einzelnen Kühlchip hinaus. Wenn tragbare Computer leistungsfähiger werden, wird die thermische Verwaltung zunehmend beeinflussen, welche KI-Erfahrungen zuverlässig innerhalb von Geräten funktionieren können, die leicht genug sind, um den ganzen Tag getragen zu werden.