Progettazione di stadi di alimentazione D2VFS per intermittent computing in applicazioni energy harvesting

The ever-increasing number of devices without the availability of a constant energy source has pushed research towards new frontiers and processing paradigms, using energy sources derived directly from the environment in which they are used and specialized circuits to operate in these degraded conditions. The process is called Energy Harvesting and includes many classes of energy conversion such as solar, electromagnetic, or vibrational. The harvested energy can be stored in energy buffers, or accumulators, which can be used as a substitute for batteries. The aim of the thesis project presented is to create three prototype circuits using a technique called Dynamic Discrete Voltage and Frequency Scaling, which allows the number of calculations performed by a microcontroller to be optimized, given a fixed energy budget, and to suspend it if the integrity of the processing is not guaranteed. All the methods studied have been developed and measured, providing a very detailed overview of the results obtained. These show an increase in the number of computations performed of up to 400% compared to the case of not using the D2VFS technique, in congruence with the theoretical performances described in the literature. This master thesis work is part of a collaboration between two laboratories at Politecnico di Milano, DigiLAB and NESlab.

Il sempre crescente numero di dispositivi senza la disponibilità di una fonte di energia costante ha spinto la ricerca verso nuove frontiere e paradigmi di elaborazione, utilizzando fonti energetiche derivanti direttamente dall'ambiente di utilizzo e circuiti specializzati per operare in queste condizioni degradate. Il processo di approvvigionamento di energia viene chiamato Energy Harvesting e comprende molte classi di conversione come solare, elettromagnetico o vibrazionale, solo per citarne alcuni. L'energia raccolta può essere immagazzinata in accumulatori, i quali possono essere utilizzati in sostituzione alle batterie. Il progetto di tesi presentato ha come obiettivo la realizzazione di tre prototipi circuitali che prevedono l'utilizzo di una tecnica chiamata Dynamic Discrete Voltage and Frequency Scaling, questa permettono di ottimizzare il numero di computazioni eseguite da un microcontrollore, dato un determinato budget energetico, e di sospenderlo nel caso non fosse garantita l'integrità dell'elaborazione. Tutte le metodologie studiate sono state sviluppate e misurate fornendo una panoramica ben dettagliata dei risultati ottenuti. Questi mostrano un aumento del numero di computazioni eseguite fino al 400% rispetto al caso di non utilizzo della tecnica D2VFS, in congruenza con le prestazioni teoriche descritte in letteratura. Il lavoro di tesi è inserito all'interno di una collaborazione tra due laboratori del Politecnico di Milano, il DigiLAB e il NESlab.