xMEMS julkaisee miniatyrisen kiinteän oluen jäähdytyspiirin älylasien käyttöön

xMEMS Labs on esitellyt XMC-1200:n, joka on puolijohdetechnologiaan perustuva mikro-ilmansyöttö, joka on suunniteltu ratkaisemaan yksi älylasien kestävimmistä ongelmista: lämmön poistamisen.

Santa Clarassa sijaitseva puolijohdeyhtiö kuvailee XMC-1200:aa maailman pienimmäksi aktiiviseksi mikro-ilmansyötöksi. Sen pinta-ala on 46 neliömillimetriä, ja sen tyypillinen virrankulutus on noin 70 milliampeeria, kun se on yhdistetty yhtiön Astra2-ajosovelluksen erityiseen integroituun piiriin. Piiri on tarpeeksi pieni voidakseen sijoittaa silmälasien sivupalojen sisään, ja se soveltuu älylasien, laajennettujen todellisuuksien (XR) ja tekoälykäyttöisten lasien käyttöön.

XMEMS:n mukaan järjestelmä voi laskea lämpötilaa jopa 10 asteella yhden watin lämmön kuormituksessa. Tekninen näyte on nyt saatavilla valituille valmistajille ja teknologiaparille salassapitovelvoitetta vastaan, ja tuotannon on tarkoitus valmistua neljännessä neljänneksessä vuonna 2027. Älylasit ovat hitaasti kehittyneet yksinkertaisista kameran ja ääniliitännäisistä tiiviiksi tietokoneisiin, joissa on kyky suorittaa tietokoneen näkeminen, reaaliaikainen kääntäminen, monimuotoinen avustaja, navigointi ja korkearesoluutioinen näyttö.

Nämä ominaisuudet vaativat yhä tehokkaampia prosessoreita, kuvantunnistimia, yhteydenpito-ominaisuuksia ja valojärjestelmiä. Jokainen näistä tuottaa lämpöä laitteessa, joka on kevyt, hiljainen ja mukava käyttää.

Perinteiset passiiviset jäähdytysjärjestelmät, kuten grafiittilevyt, lämmönjohtavat padit, lämmönjohtimet ja höyrykammiot, voivat jakaa lämpöä laitteessa. Ne eivät kuitenkaan voi luoda ilmavirtausta. Tiiviisti suljetuissa kuorissa lämpö voi jäätyä prosessoreiden ja muiden komponenttien ympärille, mikä lopulta pakottaa laitteen vähentämään suorituskykyä tai siirtämään epämukavat lämpötilat kehykseen. Lämmön rajoitukset voivat vaikuttaa useisiin käyttökokemukseen liittyviin seikkoihin. Prosessorit voivat hidastaa tekoälykuormituksissa, kameroissa voidaan asettaa nauhoitusrajoituksia, ja näytöt voivat vähentää kirkkauttaan lämpötilan hallitsemiseksi. Lämpö, joka syntyy sivupalkissa, voi myös tehdä lasit epämukaviksi pitkäaikaisessa käytössä.

Puolijohdetechnologiaan perustuva mikro-ilmansyöttö

XMC-1200 ei muistuta kannettavissa tietokoneissa tai muissa kulutuselektroniikassa käytettäviä miniatyrisia roottoriventtiilejä. Sen sijaan se valmistetaan piielektrisistä mikroelektromekaanisista järjestelmistä (piezoMEMS) xMEMS:n alustalla.

Kun jännite kytketään ohueen piezoelektriseen kalvoon, materiaali laajenee ja supistuu ulträänitaajuuksilla. Tämä liike ohjaa mikroskooppisia kalvoja, jotka tuottavat jatkuvia ilmapulsseja tarkkuusventtiilien kautta. Tuloksena oleva ilmavirtaus voidaan suunnata prosessoriin, näytön moottoriin, anturiin tai mihin tahansa keskittyneeseen lämmönlähteeseen. Tämä arkkitehtuuri välttää perinteisissä tuulettimissa käytettävät roottorimoottorit ja laakerit. Tämä mahdollistaa jäähdytyslaitteen toiminnan noin yhden millimetrin paksuisessa paketissa vähentäen samalla mekaanista monimutkaisuutta, kuuluvaa melua ja tärinää.

XMC-1200 voi toimittaa ilmavirtausta jopa 10 kuutiodesimetriä sekunnissa ja takapainetta jopa 1100 pascalia, yhtiön nykyisten tuotespesifikaatioiden mukaan. Se on myös luokiteltu IP68-luokan pöly- ja vesitiivisyydelle, mikä on tärkeä huomio laitteissa, jotka on tarkoitettu käytettäviksi päivän ympäri. Korvaamalla lämmönjohtimet tai muita passiivisia komponentteja, piiri on tarkoitettu täydentämään niitä. Aktiivinen ilmavirtaus häiritsee lämpimän ilmakerrosta, joka ympäröi kuumaa komponenttia, mahdollistaen lämmön siirtymisen laitteen laajempaan lämmönjohtojärjestelmään.

Kohdennettu jäähdytys näytöille, prosessoreille ja kameroille

Yksi mahdollinen sovellus on jäähdyttää valonheitinjärjestelmiä, joita käytetään AR- ja XR-näytöissä.

Mikronäytön valonheitin- ja laserdiodijärjestelmät voivat kokea aallonpituuden ja tehon muutoksia lämpötilan nousun myötä. Nämä muutokset voivat vaikuttaa väriin, vähentää kirkkautta tai aiheuttaa epäjohdonmukaisen kuvanlaadun pitkäaikaisessa käytössä. Kohdennettu ilmavirtaus voisi auttaa pitämään nämä komponentit vakaimmalla toimintalämpötilalla.

Prosessoreiden jäähdytys esittää toisen käyttötapauksen. Reaaliaikainen kääntäminen, ääniviestintä, visuaalinen tunnistaminen ja laitteiston tekoälyvaatimukset vaativat jatkuvaa laskentasuorituskykyä lyhyiden laskentakuormitusten sijaan. Riittämättömän lämmönjohtavuuden vuoksi järjestelmäpiiri voi nopeasti vähentää kellotaajuuttaan estääkseen ylikuumenemisen.

Kameranäyttöiset lasit kohtaavat samat rajoitukset. Korkearesoluutioiset kuvantunnistimet, videokoodekit ja langattomat yhteydet tuottavat lämpöä samanaikaisesti tallennettaessa. Aktiivinen jäähdytys lähellä näitä komponentteja voisi mahdollistaa valmistajien tukemisen pidempiä tallennussessioita ilman, että kehyskoko tarvitsee kasvaa dramaattisesti.

Sama teknologia voi myös auttaa valmistajia hallitsemaan lasien ulkoista lämpötilaa. Lämmön poistaminen laitteen pinnalta ennen kuin se pääsee sivupalkkiin, voi tehdä laitteista mukavampia pitkäaikaisessa käytössä.

Laajentamalla µCooling-portfoliota

XMC-1200 on pienin jäsen laajemmassa aktiivisessa jäähdytysportfoliossa, jonka xMEMS kehittää.

Yhtiön XMC-2400 on suunniteltu korkeampitehoisille sovelluksille, kuten XR-laseille, henkilökohtaisille kiintolevylaitteille ja muihin reunan tekoälyjärjestelmiin. Sen nykyiset spesifikaatiot sisältävät ilmavirtausta jopa 28 kuutiodesimetriä sekunnissa ja tyypillistä virrankulutusta noin 150 milliampeeria.

Suurempi XMC-4800-malli on suunniteltu älypuhelimille, tietokeskuksen tallennusjärjestelmille ja muihin sovelluksiin, joissa vaaditaan enemmän ilmavirtausta. Yhtiö listaa tämän tuotteen jopa 48 kuutiodesimetriä sekunnissa, ja sen tyypillinen virrankulutus on noin 240 milliampeeria. Tämä edustaa laajempaa strategiaa soveltaa puolijohdetechnologian valmistusmenetelmiä lämmönjohtoon eri laitteissa. Sen sijaan, että yksi tuulimoottorin suunnittelua käytettäisiin jokaisessa tuotteessa, valmistajat voivat valita piirejä sen mukaan, miten ne sopivat kuoriin, käytettävissä olevaan tehoon, ilmavirtausvaatimuksiin ja yksittäisten kuumien pisteiden sijaintiin.

XMEMS perustettiin vuonna 2018, ja se keskittyi aluksi kiinteän oluen MEMS-kaiuttimiin kuulokkeisiin, älykelloihin, kuulokkeisiin ja laseihin. Yhtiö on sittemmin laajentanut samaa alustaa lämmönjohtoon, ja se ilmoittaa omistavansa yli 300 myönnettyä patenttia maailmanlaajuisesti. Kaupallinen omaksuminen riippuu järjestelmätasoisesta suorituskyvystä

Tehokkaan jäähdytyskomponentin tekeminen tarpeeksi pieneksi älylasien käyttöön on vain yksi osa insinöörien haasteesta.

Valmistajien on arvioitava, miten ilmavirtaus liikkuu kehyksissä, jotka voivat olla tiiviisti suljettuja kosteuden ja pölyn estämiseksi. Heidän on myös arvioitava, miten jäähdytyspiiri vaikuttaa akun kestoon, komponenttien sijoitteluun, akustiseen suorituskykyyn, kestävyyteen ja ulkoisiin lämpötiloihin.

XMC-1200:n suhteellisen alhainen virrankulutus saattaa tehdä siitä sopivan valinnan valikoivasta toiminnasta. Laite voi aktivoida jäähdytyksen vain videonauhoituksen, vaativan tekoälyjohtoisen suorituksen, korkean näytön kirkkauden tai muiden jatkuvaan kuormitukseen aikaisemmin sovellusten aikana, eikä pyöritä piiriä jatkuvasti.

Pitempi tuotantosuunnitelma osoittaa myös, että teknologia on edelleen varhaisessa vaiheessa. Vaikka tekniset näytteet ovat saatavilla, kuluttajalaitteita, jotka käyttävät XMC-1200:aa, ei todennäköisesti ole saatavilla, ennen kuin valmistajat suorittavat laajan testauksen ja ottavat piirin mukaan tuleviin laitteiden suunnitelmiin.

Suurempi XMC-2400 on jo siirtynyt massatuotantoon ja tukee yhtiön ensimmäisiä lasien käyttöön tarkoitettuja käyttökohteita, mikä antaa valmistajille jo nyt saatavilla olevan vaihtoehdon suunnitelmiin, joissa on enemmän tilaa tai suurempia lämmönkuormituksia.

Aktiivinen jäähdytys voi muuttaa wearable-tekolyä

Älylasit on perinteisesti suunniteltu tiukkojen lämmön rajoitusten ympärille. Valmistajat ovat hallinneet näitä rajoituksia ohjelmistojen rajoituksin, välillisten kuormitusten, vähennetyin näytön kirkkautena ja varovaisin prosessorin suorituskyvyn avulla.

Mikroskaalainen aktiivinen jäähdytys luo toisen vaihtoehdon. Sen sijaan, että jokainen ominaisuus on suunniteltu kiinteän lämmön katon ympärille, tulevaisuuden wearable-laitteet voivat dynaamisesti poistaa lämpöä vaativissa tehtävissä ja palata passiiviseen toimintaan, kun kuormitukset vähenevät.

Tämä voi tukea pidempiä tallennussessioita, johdonmukaisempaa näytön laatua ja tekoälyominaisuuksia, jotka toimivat jatkuvasti eivätkä vain lyhyissä syöksyissä. Se voi myös mahdollistaa enemmän prosessointia laitteen sisällä, vähentäen samalla riippuvuutta älypuhelimesta tai pilvi-infrastruktuurista.

Laajempi merkitys ulottuu yksittäisen jäähdytyspiirin ulkopuolelle. Kun wearable-tietokoneet tulevat yhä tehokkaammiksi, lämmönjohto vaikuttaa yhä enemmän siihen, mitkä tekoälykokemukset voivat toimia luotettavasti laitteissa, jotka ovat tarpeeksi kevyitä voidakseen olla päällä koko päivän.