xMEMS lanza un chip de enfriamiento sólido de estado miniatura para gafas inteligentes

xMEMS Labs ha presentado el XMC-1200, un ventilador micro de estado sólido diseñado para abordar uno de los obstáculos más persistentes que enfrentan las gafas inteligentes, que es hacer que los marcos sean más pesados, más gruesos o más ruidosos.

La empresa de semiconductores con sede en Santa Clara describe el XMC-1200 como el ventilador micro activo más pequeño del mundo. Con una huella de 46 milímetros cuadrados y un consumo de energía típico de aproximadamente 70 milivatios cuando se combina con la aplicación específica de circuito integrado de conducción Astra2 de la empresa, el chip es lo suficientemente pequeño como para ser integrado en los brazos del templo de la realidad aumentada (AR), la realidad extendida (XR) y las gafas con tecnología de inteligencia artificial (AI).

Bajo una carga térmica de un vatio, xMEMS afirma que el sistema puede reducir las temperaturas en hasta 10°C. Las muestras de ingeniería ya están disponibles bajo acuerdos de no divulgación para fabricantes y socios tecnológicos calificados, con una producción programada para el cuarto trimestre de 2027. Las gafas inteligentes se enfrentan a un problema de calor

Las gafas inteligentes están evolucionando gradualmente desde accesorios de cámara y audio relativamente simples hasta plataformas de computación compactas capaces de ejecutar visión por computadora, traducción en tiempo real, asistentes multimodales, navegación y pantallas de alta resolución.

Esas capacidades requieren procesadores cada vez más potentes, sensores de imagen, componentes de conectividad y motores de luz. Cada uno produce calor dentro de un dispositivo que debe permanecer ligero, silencioso y cómodo contra la piel del usuario.

Los sistemas de enfriamiento pasivo tradicionales, incluyendo láminas de grafito, almohadillas térmicas, disipadores de calor y cámaras de vapor, pueden redistribuir el calor en todo el dispositivo. Sin embargo, no pueden crear flujo de aire. En envolturas selladas, el calor puede quedar atrapado alrededor de los procesadores y otros componentes, eventualmente obligando al dispositivo a reducir su rendimiento o transferir temperaturas incómodas al marco. Las limitaciones térmicas pueden afectar varios aspectos de la experiencia del usuario. Los procesadores pueden reducir su velocidad durante cargas de trabajo de AI sostenidas, las cámaras pueden imponer límites de grabación y las pantallas pueden reducir su brillo para controlar las temperaturas. El calor generado dentro de un brazo del templo también puede hacer que las gafas sean incómodas durante un uso prolongado.

Un ventilador micro construido con tecnología de semiconductores

El XMC-1200 no se parece a los ventiladores miniatura rotativos que se encuentran en las computadoras portátiles u otros dispositivos electrónicos de consumo. En su lugar, está fabricado con silicio utilizando la plataforma de sistemas microelectromecánicos piezoeléctricos (piezoMEMS) de xMEMS.

Cuando se aplica voltaje a una delgada película piezoeléctrica, el material se expande y contrae a frecuencias ultrasonoras. Este movimiento impulsa membranas microscópicas que generan pulsos de aire continuos a través de estructuras de válvula de precisión. El flujo de aire resultante puede dirigirse hacia un procesador, motor de pantalla, sensor u otra fuente concentrada de calor. La arquitectura evita los motores rotativos y los rodamientos utilizados en los ventiladores convencionales. Esto permite que el dispositivo de enfriamiento funcione dentro de un paquete de aproximadamente un milímetro de grosor, reduciendo la complejidad mecánica, el ruido audible y la vibración.

El XMC-1200 puede entregar un flujo de aire de hasta 10 centímetros cúbicos por segundo y una presión de contrapresión de hasta 1.100 pascal, según las especificaciones actuales del producto de la empresa. También está clasificado como IP68 para resistencia al polvo y al agua, una consideración importante para la electrónica destinada a ser utilizada durante todo el día. En lugar de reemplazar los disipadores de calor u otros componentes pasivos, el chip está diseñado para complementarlos. El flujo de aire activo interrumpe la capa de aire cálido estancado que rodea un componente caliente, permitiendo que el calor se mueva más efectivamente hacia la estructura térmica más amplia del dispositivo.

Enfriamiento dirigido para pantallas, procesadores y cámaras

Una posible aplicación es el enfriamiento de los motores de luz utilizados en las pantallas de realidad aumentada (AR) y realidad extendida (XR).

Los sistemas de emisión de luz de microdisplay y los sistemas láser pueden experimentar cambios en la longitud de onda y la salida a medida que aumentan sus temperaturas. Estos cambios pueden contribuir a desplazamientos de color, reducción de brillo o calidad de imagen inconsistente durante el uso prolongado. El flujo de aire dirigido podría ayudar a mantener estos componentes dentro de un rango de funcionamiento más estable.

La refrigeración del procesador presenta otro caso de uso. La traducción en tiempo real, la interacción de voz, el reconocimiento visual y la inferencia de AI en el dispositivo requieren un rendimiento de cómputo sostenido en lugar de breves explosiones de procesamiento. Sin un margen térmico suficiente, un sistema en chip puede reducir rápidamente su velocidad de reloj para evitar el sobrecalentamiento.

Las gafas con cámara enfrentan limitaciones similares. Los sensores de imagen de alta resolución, los codificadores de video y las conexiones inalámbricas generan calor simultáneamente durante la grabación. El enfriamiento activo cerca de estos componentes podría permitir a los fabricantes admitir sesiones de grabación más largas sin aumentar dramáticamente el tamaño del marco.

La misma tecnología también puede ayudar a los fabricantes a controlar la temperatura externa de las gafas. Alejar el calor de los componentes electrónicos antes de que alcance la superficie de un brazo del templo podría hacer que los dispositivos sean más cómodos durante el uso prolongado.

Ampliación del portafolio de enfriamiento µCooling

El XMC-1200 es el miembro más pequeño de un portafolio de enfriamiento activo más amplio que xMEMS está desarrollando.

El XMC-2400 de la empresa está diseñado para aplicaciones de mayor potencia, incluyendo gafas de realidad extendida (XR), discos duros de estado sólido personales y otros sistemas de inteligencia artificial de borde. Sus especificaciones actuales incluyen un flujo de aire de hasta 28 centímetros cúbicos por segundo y un consumo de energía típico de aproximadamente 150 milivatios.

Un modelo XMC-4800 más grande está dirigido a teléfonos inteligentes, sistemas de almacenamiento de centros de datos y otras aplicaciones que requieren un mayor flujo de aire. La empresa enumera que el producto tiene un flujo de aire de hasta 48 centímetros cúbicos por segundo, con un consumo de energía típico de aproximadamente 240 milivatios. Esto refleja una estrategia más amplia de aplicación de técnicas de fabricación de semiconductores a la gestión térmica en diferentes categorías de dispositivos. En lugar de utilizar un diseño de ventilador para cada producto, los fabricantes podrían potencialmente seleccionar chips en función del tamaño del envoltorio, la potencia disponible, los requisitos de flujo de aire y la ubicación de los puntos calientes individuales.

Fundada en 2018, xMEMS se centró inicialmente en altavoces de estado sólido MEMS para auriculares, relojes inteligentes, auriculares y gafas. La empresa ha extendido desde entonces la misma plataforma subyacente de piezoMEMS a la gestión térmica y informa que tiene más de 300 patentes concedidas en todo el mundo. La adopción comercial dependerá del rendimiento a nivel de sistema

Hacer que un componente de enfriamiento sea lo suficientemente pequeño para gafas inteligentes es solo una parte del desafío de ingeniería.

Los fabricantes necesitarán determinar cómo debe moverse el flujo de aire a través de los marcos que pueden estar sellados contra la humedad y el polvo. También tendrán que evaluar cómo afecta el chip de enfriamiento la vida útil de la batería, la colocación de componentes internos, el rendimiento acústico, la durabilidad y las temperaturas externas.

Los requisitos de energía relativamente bajos del XMC-1200 podrían hacer que sea adecuado para una operación selectiva. Un dispositivo podría activar el enfriamiento solo durante la grabación de video, la inferencia de AI exigente, el brillo de la pantalla alto u otras cargas de trabajo sostenidas, en lugar de ejecutar el chip continuamente.

El cronograma de producción más largo también indica que la tecnología aún se encuentra en una etapa temprana. Aunque las muestras de ingeniería están disponibles, es poco probable que los dispositivos de consumo que utilicen el XMC-1200 aparezcan hasta que los fabricantes completen pruebas exhaustivas e incorporen el chip en futuros diseños de hardware.

El XMC-2400 más grande ya ha entrado en producción en masa y está respaldando los primeros despliegues relacionados con gafas de la empresa, lo que da a los fabricantes una opción actualmente disponible para diseños con más espacio o cargas térmicas más altas.

El enfriamiento activo podría cambiar la forma en que se diseñan las gafas inteligentes con tecnología de inteligencia artificial

Las gafas inteligentes han sido tradicionalmente diseñadas alrededor de límites térmicos estrictos. Los fabricantes han gestionado esos límites a través de restricciones de software, cargas de trabajo intermitentes, reducción del brillo de la pantalla y rendimiento del procesador conservador.

El enfriamiento activo a escala micro crea otra opción. En lugar de ingenierizar cada capacidad alrededor de un techo de calor fijo, los dispositivos portátiles futuros podrían eliminar dinámicamente el calor durante tareas exigentes y regresar a la operación pasiva cuando las cargas de trabajo disminuyan.

Eso podría respaldar sesiones de grabación más largas, una calidad de pantalla más consistente y características de AI que operan continuamente en lugar de en explosiones cortas. También podría permitir que más procesamiento permanezca en el dispositivo, reduciendo la dependencia de los teléfonos inteligentes o la infraestructura en la nube.

La importancia más amplia va más allá de un solo chip de enfriamiento. A medida que las computadoras portátiles se vuelven más capaces, la gestión térmica influirá cada vez más en qué experiencias de AI pueden funcionar de manera fiable dentro de los dispositivos lo suficientemente ligeros como para ser utilizados durante todo el día.