Новый чип для видеокамер, созданный специалистами Рочестерского университета, обладает настолько высокими параметрами, и в первую очередь чрезвычайно низким энергопотреблением, что появление видеокамер размером с пуговицу, способных работать годы без перезарядки, становится реальностью уже в наши дни.
В Рочестерском университете разработан чип для видеокамер, потребляющий в 50 раз меньше энергии, чем лучшие существующие образцы. Помимо впечатляюще низкого энергопотребления, качество получаемых с его помощью изображений существенно выше, чем у существующих аналогов.
Группа в составе профессоров Марка Боко (Mark Bocko) и Зелько Игнатовича (Zeljko Ignjatovic) разработала прототип чипа, способного попиксельно оцифровывать изображение и сжимать его намного более простыми, чем существующие, алгоритмами.
«Обе технологии совместно или каждая сама по себе способны значительно уменьшить энергозатраты, необходимые для получения изображения, — говорит проф. Боко. — Одна из них является дальнейшим усовершенствованием существующих, другая — революционна и основывается на принципиально новом подходе к получению изображения».
Первая технология предполагает создание отдельного аналого-цифрового преобразователя (АЦП) для каждого пикселя CMOS-матрицы. Новая конструкция АЦП позволила обойтись всего тремя транзисторами в расчете на пиксель. Уже первые эксперименты показали, что чип позволяет оцифровывать видео со скоростью 30 кадров в секунду, потребляя при этом всего 0,88 нВт на пиксель — это в 50 раз меньше, чем у лучших из производимых в настоящее время аналогов. Динамический диапазон чипа из Рочестера на два порядка превышает аналогичный показатель у лучших из ныне выпускаемых чипов.
В традиционных детекторах падающий на матрицу свет регистрируется массивом фотодиодов. Вырабатываемые ими сигналы усиливаются при помощи транзисторов и передаются на АЦП, расположенный вне самой светочувствительной матрицы. Конструкции, в которых преобразование аналогового сигнала в цифровой осуществляется непосредственно на каждом пикселе, не новы. Однако для этого требуются транзисторные схемы с очень высокими и однородными характеристиками, которые занимают большую часть площади пикселя, соответственно уменьшая его светочувствительную область. Новая конструкция, предложенная учеными из Рочестера, лишена этого недостатка — благодаря применению современных технологий размеры транзисторов удалось уменьшить, не ухудшив при этом характеристики устройства. Более того — уменьшение размеров элементной базы открыло возможность увеличения частоты кадров.
Согласно имеющейся информации, конструкция нового чипа получилась схемотехнически элегантной благодаря примененному в ней оригинальному принципу. Элемент обычного детектора представляет собой фотодиод, потенциал на котором уменьшается под действием падающего на него света. Затем оставшийся на фотодиоде заряд «снимается» транзистором, усиливается, после чего фотодиод «перезаряжается» вновь. В конструкции Боко и Игнатовича заряд, оставшийся на фотодиоде, определяется относительно порогового значения ("0" или "1"), и с элемента выводится лишь этот результирующий бит. Если результат измерения равен "1", заряд поступает обратно на фотодиод, фактически перезаряжая его. Этот прием позволил изобретателям существенно снизить энергопотребление прибора. Однако настоящей «изюминкой» явилась вторая идея, реализованная в революционном приборе.
Обычный детектор представляет собой матрицу из однородно распределенных по ее поверхности пикселей. Боко и Игнатович предложили размещать пиксели неоднородно — так, чтобы пространственный характер их распределения способствовал бы уменьшению объема математических операций, необходимых для первичного сжатия изображения. В этом они достигли впечатляющих успехов — объем операций сократился пятикратно. Это также ведет к снижению энергопотребления прибора.