xMEMS запускає мініатюрний твердотільний охолоджувальний чіп для розумних окулярів

xMEMS Labs представила XMC-1200, твердотільний мікровентилятор, розроблений для вирішення однієї з найбільш постійних перешкод, з якими стикаються розумні окуляри, – охолодження.

Компанія з Санта-Клари описує XMC-1200 як найменший активний мікровентилятор у світі. З площею 46 квадратних міліметрів і типовим енергоспоживанням близько 70 міліватт при поєднанні з інтегральною схемою Astra2, чіп достатньо малий, щоб бути інтегрованим у рамку окулярів доповненої реальності (AR), розширеної реальності (XR) та окулярів з підтримкою штучного інтелекту.

При теплових навантаженнях у 1 ват XMC-1200 може знижувати температуру на 10°C. Інженерні зразки зараз доступні під угодами про нерозголошення для кваліфікованих виробників та технологічних партнерів, а готовність до виробництва запланована на четвертий квартал 2027 року. Розумні окуляри стикаються з проблемою нагріву

Розумні окуляри поступово еволюціонують від відносно простих камер та аудіоакцесуарів до компактних обчислювальних платформ, здатних виконувати комп’ютерне зору, реальний переклад, багатомодальні помічники, навігацію та високоякісні дисплеї.

Ці можливості вимагають все потужніших процесорів, датчиків зображення, компонентів зв’язку та світлових двигунів. Кожен з них генерує тепло всередині пристрою, який повинен залишатися легким, тихим та комфортним проти шкіри носія.

Традиційні пасивні системи охолодження, включаючи графітові листи, теплові подушки, теплові розсіювачі та парові камери, можуть перерозподіляти тепло всередині пристрою. Однак вони не можуть створювати потік повітря. У щільно закритих оболонках тепло може накопичуватися навколо процесорів та інших компонентів, що врешті-решт змушує пристрій знижувати продуктивність або передавати некомфортні температури до рамки. Теплові обмеження можуть впливати на різні аспекти досвіду користувача. Процесори можуть знижувати продуктивність під час тривалих завдань штучного інтелекту, камери можуть встановлювати обмеження на запис, а дисплеї можуть знижувати яскравість, щоб контролювати температуру. Тепло, генероване всередині рамки, також може зробити окуляри некомфортними під час тривалого використання.

Мікровентилятор, побудований за допомогою напівпровідникової технології

XMC-1200 не нагадує мініатюрні вентилятори, знайдені в ноутбуках або інших споживчих електронних пристроях. Натомість він виготовлений з кремнію за допомогою платформи п’єзоелектромеханічних систем xMEMS.

Коли до тонкої п’єзоелектричної плівки прикладається напруга, матеріал розширюється та стискається на ультразвукових частотах. Це рух керує мікроскопічними мембранами, які генерують безперервні повітряні імпульси через точні клапанні структури. Результатом є повітряний потік, який можна спрямувати до процесора, дисплейного двигуна, сенсора чи іншого джерела тепла. Така конструкція уникнула використання роторних двигунів та підшипників, застосовуваних у традиційних вентиляторах. Це дозволяє охолоджувальному пристрою працювати у пакеті товщиною близько одного міліметра, знижуючи механічну складність, шум та вібрацію.

XMC-1200 може забезпечувати повітряний потік до 10 кубічних сантиметрів на секунду та тиск до 1100 паскалів, згідно з поточними специфікаціями продукту компанії. Він також має рейтинг IP68 щодо стійкості до пилу та води, що є важливим фактором для електроніки, призначеної для носіння протягом дня. Замість заміни теплових розсіювачів або інших пасивних компонентів, чіп призначений для доповнення їх. Активний повітряний потік порушує шар застійного теплого повітря навколо гарячого компонента, дозволяючи теплу рухатися більш ефективно всередині загальної теплової структури пристрою.

Цільове охолодження для дисплеїв, процесорів та камер

Одним із потенційних застосувань є охолодження світлових двигунів, використовуваних у дисплеях доповненої та розширеної реальності.

Мікродисплейні світлодіоди та лазерні системи можуть зазнавати змін довжини хвилі та виходу при підвищенні температури. Ці зміни можуть призвести до зміщення кольорів, зниження яскравості або неконсистентної якості зображення під час тривалого використання. Цільовий повітряний потік міг би допомогти підтримувати ці компоненти у більш стабільному робочому діапазоні.

Охолодження процесора представляє інший випадок застосування. Реальний переклад, голосова взаємодія, візуальне розпізнавання та локальний інференс штучного інтелекту вимагають тривалої обчислювальної продуктивності, а не короткочасних сплесків обробки. Без достатнього теплового резерву система на кристалі може швидко знижувати свою тактову частоту, щоб уникнути перегріву.

Окуляри з камерою також стикаються з подібними обмеженнями. Високоякісні сенсори зображення, відеоенкодери та бездротові з’єднання генерують тепло одночасно під час запису. Активне охолодження біля цих компонентів могло б дозволити виробникам підтримувати довші сесії запису без значного збільшення розміру окулярів.

Ту ж технологію можна також використовувати для контролю зовнішньої температури окулярів. Відведення тепла від електроніки до того, як воно досягне поверхні рамки, могло б зробити пристрій більш комфортним під час тривалого носіння.

Розширення портфеля µCooling

XMC-1200 є найменшим членом більшої активної системи охолодження, розроблюваної компанією xMEMS.

Продукт компанії XMC-2400 призначений для застосувань з вищою потужністю, включаючи окуляри розширеної реальності, персональні твердотільні накопичувачі та інші системи штучного інтелекту на краю мережі. Поточні специфікації включають повітряний потік до 28 кубічних сантиметрів на секунду та типове енергоспоживання близько 150 міліватт.

Більша модель XMC-4800 орієнтована на смартфони, системи зберігання даних у центрах обробки даних та інші застосування, які вимагають більшого повітряного потоку. Компанія вказує, що цей продукт забезпечує повітряний потік до 48 кубічних сантиметрів на секунду, з типовим енергоспоживанням близько 240 міліватт. Ця стратегія передбачає застосування напівпровідникових виробничих технік до теплового менеджменту у різних категоріях пристроїв. Замість використання одного дизайну вентилятора для кожного продукту виробники могли б потенційно вибирати чіпи на основі розміру оболонки, доступної потужності, повітряного потоку та розташування окремих гарячих точок.

Компанія xMEMS була заснована у 2018 році та спочатку зосереджувалася на твердотільних динаміках MEMS для навушників, смарт-годинників, наушників та окулярів. Компанія згодом розширила ту ж саму основну платформу п’єзоMEMS на тепловий менеджмент та повідомляє про володіння понад 300 патентами у світі. Промислове впровадження залежатиме від системної продуктивності

Зробити охолоджувальний компонент достатньо малим для розумних окулярів – це лише одна частина інженерної задачі.

Виробники повинні визначити, як повітряний потік повинен рухатися через рамки, які можуть бути закриті проти вологи та пилу. їм також потрібно буде оцінити, як охолоджувальний чіп впливає на тривалість роботи батареї, розміщення внутрішніх компонентів, акустичну продуктивність, довговічність та зовнішні температури.

Відносно низькі енергоспоживанням XMC-1200 могли б зробити його придатним для вибіркової роботи. Пристрій міг би активувати охолодження лише під час відеозапису, вимогних завдань інференсу штучного інтелекту, високої яскравості дисплея або інших тривалих робочих навантажень, а не постійного виконання чіпу.

Триваліший графік виробництва також вказує на те, що технологія залишається на ранній стадії. Хоча інженерні зразки доступні, споживчі пристрої, які використовують XMC-1200, навряд чи з’являться до тих пір, поки виробники не завершать широкомасштабне тестування та не інтегрують чіп у майбутні апаратні конструкції.

Більший XMC-2400 вже вступив у масове виробництво та підтримує перші розгортання окулярів компанії, надаючи виробникам зараз доступний варіант для конструкцій з більшою кількістю місця або вищими тепловими навантаженнями.

Активне охолодження може змінити носимий штучний інтелект

Розумні окуляри традиційно проектувалися з урахуванням суворих теплових обмежень. Виробники керували цими обмеженнями через програмні обмеження, періодичні робочі навантаження, знижену яскравість дисплея та консервативну продуктивність процесора.

Мікромасштабне активне охолодження створює інший варіант. Замість проектування кожної можливості навколо фіксованого теплового стелі, майбутні носимі пристрої могли б динамічно видаляти тепло під час вимогливих завдань та повертатися до пасивної роботи, коли робочі навантаження знижуються.

Це могло б підтримувати довші сесії запису, більш стабільну якість дисплея та функції штучного інтелекту, які працюють безперервно, а не у коротких сплесках. Це також могло б дозволити більше обробки залишатися на пристрої, знижуючи залежність від смартфонів або інфраструктури хмари.

Ширше значення виходить за межі одного охолоджувального чіпа. Коли носимі комп’ютери стають більш потужними, тепловий менеджмент усе більше впливатиме на те, які досвіди штучного інтелекту можуть працювати надійно всередині пристроїв, достатньо легких, щоб їх носили протягом дня.