Advanced Seminar Computer Engineering Energy …...J. Bae 2013: Flutter-driven triboelectrification...
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Advanced Seminar Computer Engineering
Energy Harvesting
Robin Stadler2935333
B.Sc. Angewandte Informatik
Dr. Andreas Kugel
Hamburger Allgemeine: „Ein Stein mitten im Wald in der
Lüneburger Heide ist ein WLAN Hotspot“
Heise: „Ikea lädt Handy mit Kafeetasse auf“
Die Welt: „Stromerzeugung durch Reibung in der Hose“
Extremetech: „Student lädt Batterien mit Elektrosmog“
(51)
06.02.2017 Energy Harvesting
Energy HarvestingMotivation
(35)
(36)
(37)
(41)
Green Energy
Rückgewinnung
Wartungsfreiheit
Autarke Systeme
1
06.02.2017 Energy Harvesting
Energy HarvestingAufbau des Vortrags
● Begrifserklärung: 'Energy Harvester'?● Energie, die geerntet werden kann● Micro Energy Harvesting am Beispiel einer
Smartwatch– Geschichtlicher Verlauf– Designprozess– Schaltungstechnik
● State of the Art und Ausblick
2
06.02.2017 Energy Harvesting
Energy HarvesterBegrifserklärung
● Wörtlich: Energie Erntemaschine● "Harvester": Vollerntesysteme● Frei verfügbare Energie → elektrische Energie● Beliebig skalierbar
→ Ermöglicht autarke und wartungsfreie Systeme
(50) 3
06.02.2017 Energy Harvesting
Energy HarvesterBegrifserklärung
(1) (2)
4
06.02.2017 Energy Harvesting
Energy HarvesterBegrifserklärung
Kein Energy Harvesting!
Kein Energy Harvesting!
Umwelt darf nur unmerklich
beeinflusst werden!
(1) (2)
4
06.02.2017 Energy Harvesting
Energy HarvestingAufbau des Vortrags
● Begrifserklärung: 'Energy Harvester'?● Energie, die geerntet werden kann● Micro Energy Harvesting am Beispiel einer
Smartwatch– Geschichtlicher Verlauf– Designprozess– Schaltungstechnik
● State of the Art und Ausblick
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06.02.2017 Energy Harvesting
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Energie, die geerntet werden kann
6
06.02.2017 Energy Harvesting
Energie, die geerntet werden kann
Licht
6
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Energie, die geerntet werden kannLicht
Innerer photoelekrischer Efekt
Ursache
Verfügbarkeit
Spannungsbereich
Wirkungsgrad
Anwendungen
Photonen heben Elektronen in das Leitungsband
1000W/m²
1 V
~20%
Out- und Indoor, in jeder Größe
7
06.02.2017 Energy Harvesting
Energie, die geerntet werden kann
8
06.02.2017 Energy Harvesting
Energie, die geerntet werden kann
MechanischStöße Reibung
Ströme Vibration
8
06.02.2017 Energy Harvesting
Energie, die geerntet werden kannMechanisch
Induktion
Ursache
Spannungsbereich
Wirkungsgrad
Anwendungen
Sich ändernde magnetische Felder verursachen Ströme
1 V
30%
Funksensoren und -schalter, Energie-rückgewinnung
(21)
9
06.02.2017 Energy Harvesting
Energie, die geerntet werden kannMechanisch
Triboelektrischer Efekt
Ursache
Spannungsbereich
Wirkungsgrad
Anwendungen
Reibungselektrizität
100 V
24%
Dynamos mit oder ohne Schwungmasse
9
06.02.2017 Energy Harvesting
Triboelektrischer Efekt
(22)
(23)
Guang Zhu et. al. 2013● 1.5W @3000 U/min
– 850V, 3mA– 24% Effizienz
● 75µm Dicke– 1.1g
10
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Energie, die geerntet werden kannMechanisch
Piezoelektrizität
Ursache
Spannungsbereich
Wirkungsgrad
Anwendungen
Gerichtete Verformung
1 kV
10% -90%
Funksensoren und -schalter, Energierück-gewinnung
(26)
(27)
11
06.02.2017 Energy Harvesting
Piezo
(33) (34)
(43)
Ju-Hyuck Lee et al.
12
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Energie, die geerntet werden kannMechanisch
Reverse Electrowetting
Ursache
Verfügbar
Spannungsbereich
Anwendungen
Elektrobenetzung
Schritt: 67W
10 V
Dämpfungen, Funksensoren und -schalter, Einlegesohlen
(45)
13
06.02.2017 Energy Harvesting
Reverse Electrowetting
(24)
(25)
Tom Krupenkin & J. Ashley Taylor 2011
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06.02.2017 Energy Harvesting
Energie, die geerntet werden kann
15
06.02.2017 Energy Harvesting
ThermischTemperaturgradientenTemperaturänderung
Energie, die geerntet werden kann
15
06.02.2017 Energy Harvesting
Energie, die geerntet werden kannThermisch
Ursache
Spannungsbereich
Wirkungsgrad
Seebeck-Efekt
Temperatur-gradient
10 mV
max. 10%
Pyroelektrizität
Temperatur-änderung
1 kV
~30%
(26)(37)
16
06.02.2017 Energy Harvesting
Energie, die geerntet werden kann
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06.02.2017 Energy Harvesting
ExotischFunkwellen
Biologische Prozesse
Energie, die geerntet werden kann
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Exotische Energy Harvester
(47)
(48)
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06.02.2017 Energy Harvesting
Licht
MechanischStöße Reibung
Ströme Vibration
Energie, die geerntet werden kann
ThermischTemperaturgradientenTemperaturänderung
ExotischFunkwellen
Biologische Prozesse
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06.02.2017 Energy Harvesting
Energy HarvestingAufbau des Vortrags
● Begrifserklärung: 'Energy Harvester'?● Energie, die geerntet werden kann● Micro Energy Harvesting am Beispiel einer
Smartwatch– Geschichtlicher Verlauf– Designprozess– Schaltungstechnik
● State of the Art und Ausblick
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06.02.2017 Energy Harvesting
Geschichtlicher Abriss
1770 1865
(3)(43)
(7)
1972 1980
(4)
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06.02.2017 Energy Harvesting
Designprozess
The Four Steps to Success
Step 1: Check Application
Step 2: Know Your Power
Step 3: Quantify Power Source
Step 4: Choose an Energy Harvester
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06.02.2017 Energy Harvesting
DesignprozessSmartwatch
Step 1: Check Application– Umwelt der Smartwatch
● Bewegungen, Licht, Temperatur- und Luftdruckänderungen, ...
– Akku muss beinahe täglich neu geladen werden– Gerät ist während dem Laden nicht benutzbar– Ohne Lademöglichkeit nutzlos– Nicht austauschbarer Akku verringert Lebenszeit– ...
23
06.02.2017 Energy Harvesting
DesignprozessSmartwatch
Step 1: Check Application– Umwelt der Smartwatch
● Bewegungen, Licht, Temperatur- und Luftdruckänderungen, ...
– Akku muss beinahe täglich neu geladen werden– Gerät ist während dem Laden nicht benutzbar– Ohne Lademöglichkeit nutzlos– Nicht austauschbarer Akku verringert Lebenszeit– ...
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06.02.2017 Energy Harvesting
DesignprozessSmartwatch
Step 2: Know Your Power– Samsung Gear S
● Akku: 380mAh, 3.7V, hält ~3 Tage● Das macht im Durchschnitt
0,38 Ah⋅3,7V3⋅24 h
=...=3000 µW
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06.02.2017 Energy Harvesting
DesignprozessSmartwatch
Step 3: Quantify Power SourceVorhandene
Energie-quellen
Durchschnitt Maximum Minimum
Licht● Sonne● Beleuchtung
11 mW/cm² 100 mW/cm²(Outdoor)
50 µW/cm²(Indoor)
Thermisch● Temperatur-
unterschied15 mW/cm² 40 mW/cm²
(Laufen)7 mW/cm²
(Sitzen)
Mechanisch● Handgelenk-
drehungen80 µW - -
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06.02.2017 Energy Harvesting
DesignprozessSmartwatch
Step 3: Quantify Power SourceVorhandene
Energie-quellen
Durchschnitt Maximum Minimum
Licht● Sonne● Beleuchtung
11 mW/cm² 100 mW/cm²(Outdoor)
50 µW/cm²(Indoor)
Thermisch● Temperatur-
unterschied15 mW/cm² 40 mW/cm²
(Laufen)7 mW/cm²
(Sitzen)
Mechanisch● Handgelenk-
drehungen80 µW - -
25
06.02.2017 Energy Harvesting
DesignprozessSmartwatch
Step 4: Choose an Energy Harvester– Photozellen
- Großer Zwischenspeicher wegen niedriger Indoorleistung nötig- Problem der Anbringung der Photozellen
– Thermogenerator+ Permanente Leistungsverfügbarkeit überhalb des Bedarfs(+) eventuelles Handgelenkdrehen zur Energiequelle entfällt
26
06.02.2017 Energy Harvesting
DesignprozessSmartwatch
Step 4: Choose an Energy Harvester– Photozellen
- Großer Zwischenspeicher wegen niedriger Indoorleistung nötig- Problem der Anbringung der Photozellen
– Thermogenerator+ Permanente Leistungsverfügbarkeit überhalb des Bedarfs(+) eventuelles Handgelenkdrehen zur Energiequelle entfällt
26
06.02.2017 Energy Harvesting
2006: Funk-Pulsoximeter
(8)
27
T. Torfs, V. Leonov
06.02.2017 Energy Harvesting
2006: Kabelloses EEG Stirnband
(9)
28
T. Torfs, V. Leonov
06.02.2017 Energy Harvesting
Thermoelektrische Generatoren (TEG)Reale Geräte
Pulsoximeter100µW nachts, 200µW tagsüber
62µW
EEG2500µW
800µW
Leistung TEG(22°C)
Leistungsaufnahme
(8) (9)
29
06.02.2017 Energy Harvesting
Thermoelektrische Generatoren (TEG)Eine Frage und eine Aufgabe
● Woran liegt es, dass mein Wirkungsgrad dermaßen niedrig ist?– Einschränkungen
● Energieverbrauch der Smartwatch muss drastisch gesenkt werden!– Energiemanagement
30
06.02.2017 Energy Harvesting
Thermoelektrische Generatoren (TEG)Einschränkungen
● Dimensionen und Gehäuse– Kühlerdicke und -gewicht– Wasser- und Staubgeschützt– Größe der Kontaktfläche
● Kälteempfinden– Je nach Wirkungsgrad unterschiedlich– Faustregel: max. 30µW/cm² sind nicht störend
31
06.02.2017 Energy Harvesting
Thermoelektrische Generatoren (TEG)Einschränkungen
● Dimensionen und Gehäuse– Kühlerdicke und -gewicht– Wasser- und Staubgeschützt– Größe der Kontaktfläche
● Kälteempfinden– Je nach Wirkungsgrad unterschiedlich– Faustregel: max. 30µW/cm² sind nicht störend
31
06.02.2017 Energy Harvesting
Feldversuch (20cm²)
32
Moritz Thielen et. al 2016
06.02.2017 Energy Harvesting
Thermoelektrische Generatoren (TEG)Leistung im Feldversuch
● Indoor (23°C, kein Wind)– 50µW (1,5µW/cm²)
● Outdoor (13°C, leichter Wind)– 1080µW (54µW/cm²)
● Durchschnittlich– 280µW (14µW/cm²)
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06.02.2017 Energy Harvesting
Thermoelektrische Generatoren (TEG)Ergebnisse des Feldversuchs
● Vergleich– Beide Designs arbeiten annähernd gleich effizient
● Tragekomfort– Ab 10°C kein Kältegefühl– Tragegefühl ähnelt Armbanduhr
● Leistung– Sehr unterschiedlich je Szenario– Kann Durchschnitt nicht als Kriterium für Anwendung
nehmen
34
06.02.2017 Energy Harvesting
Thermoelektrische Generatoren (TEG)Energiemanagement
Grundleistung (40µW) Outdoor (200µW)
Aktion Intervall
1s Audiodaten samplen
2 min
Foto aufnehmen 40 s
Statusupdate über Bluetooth Low Energy versenden
40 s
Aktion Intervall
5s Datensampling eines Beschleunigungs-sensors
30 s
Foto aufnehmen 5 s
6s Audiodaten aufnehmen
2 min
E-Ink Display Refresh 2 min
Statusupdate über BLE versenden
5 s
35
06.02.2017 Energy Harvesting
Matrix Powerwatch
(15)
„Unlike today's smartwatches which need to be recharged every day or two, the MATRIX PowerWatch never needs
to be removed from your wrist for charging.“
36
06.02.2017 Energy Harvesting
Thermoelektrische Generatoren (TEG)Matrix Powerwatch
● Ambiq Apollo2– Vollständiger Microprocessor ARM Cortex-M4– 33µW/MHz– ~0,5µW/MHz im deep sleep mode– FPU, ADC, DAC – RTC
(46)
37
06.02.2017 Energy Harvesting
Matrix Powerwatch X
(16)
„Because it's bigger, it generates more power, so we've added a vibe
and notifications.“
38
Schlusswort
State of the Art und Ausblick
06.02.2017 Energy Harvesting
QuellenPaper und Literatur
Moritz THIELEN et al. 2016: Human body heat for powering wearable devices: From thermal energy to application, in Energy Conversion and Management 131 (2017) 44–54
V. LEONOV and R.J.M. VULLERS 2009: Wearable electronics self-powered by using human body heat: The state of the art and the perspective, in Journal of Renewable and Sustainable Energy 1
R. MCCARTY 2012: Thermoelectric Power Generator Design for Maximum Power: It’s All About ZT, in Journal of ELECTRONIC MATERIALS, Vol. 42, No. 7, 2013
Weitere Paper
T. STARNER, J. A. PARADISO 2004: Human Generated Power for Mobile Electronics, in
Piguet, C. (ed), Low Power Electronics Design, CRC Press, Fall 2004.
RICHARD WATKINS 2013: The Origins Of Self-Winding Watches 1773 – 1779 , Second Edition
W. Seung et al. 2015: Nanopatterned Textile-Based Wearable Triboelectric Nanogenerator, in ACS Nano, 2015, 9 (4), pp 3501–3509
J. Bae 2013: Flutter-driven triboelectrification for harvesting wind energy, in Nature Communications 5, Article number: 4929 (2014)
Literarur
Shshank Priya, Daniel J. Inman (Editors) 2009: Energy Harvesting Technologies, Springer ISBN 978-0-387-76463-4, DOI 10.1007/978-0-387-76464-1, e-ISBN 978-0-387-76464-1
06.02.2017 Energy Harvesting
QuellenWeb
Prof. Dr.-Ing. Jürgen Schwager, Hochschule Reutlingen: http://www.harvesting-energy.de
Achmed A. W. Khammas: http://www.buch-der-synergie.de/c_neu_html/c_01_10_micro_energy.htm
06.02.2017 Energy Harvesting
QuellenBilder
(1) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/9/93/Dynamo-Cantihalter.jpg(2) http://referate.mezdata.de/sj2009/wasserkraftanlagen_janik-noller/res-wikipedia/laufwasserkraftwerk.jpg(3) RICHARD WATKINS 2013: The Origins Of Self-Winding Watches 1773 – 1779 , Second Edition (4) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/58/Beverly_clock.jpg(5) https://www.wired.com/gadgetlab/2010/10/the-real-original-remote-control-zenith-space-command/img_0375/(6) http://media-cache-ec0.pinimg.com/736x/db/9c/24/db9c24d462a471b3bf951f801b2188b9.jpg(7)http://www.hknebel.org/Uhren/Thermatron.jpg(8) V. LEONOV and R.J.M. VULLERS 2009: Wearable electronics self-powered by using human body heat: The state of the art and the perspective, in Journal of Renewable and Sustainable Energy 1(9) Siehe (8)(10) https://www.energie-lexikon.info/img/teg.png(11) http://www.panco.de/pix/img-62.jpg(12) http://micropelt.com/images/thermogenerator_578_legpair.jpg(13) Moritz Thielen et al. 2016: Human body heat for powering wearable devices: From thermal energy to application, in Energy Conversion and Management 131 (2017) 44–54(14) Siehe (13)(15) https://c1.iggcdn.com/indiegogo-media-prod-cld/image/upload/c_limit,w_620/v1483203786/ddclfmhzfq63nzxu3m7s.jpg(16) https://c1.iggcdn.com/indiegogo-media-prod-cld/image/upload/c_limit,w_620/v1483203965/uu79oaa5ctkuy62f6wkx.jpg(17) http://cdn.wonderfulengineering.com/wp-content/uploads/2013/11/Free-Electricity-Folks.png(18) https://www.jointchambers.ch/files/jcc/bilder/hintergrund/solarzellen.jpg(19) http://www.leuschner.business.t-online.de/basiswissen/SB123-spule.jpg(20) https://www.enocean.com/typo3temp/GB/csm_ECO_200_white_03_bf32b96059_5adad9147f.jpg(21) https://1.f.ix.de/scale/geometry/696x500/q75/imgs/71/1/1/8/5/3/2/4/wsapic-triboelektrisch1-mitSchwungmassen---Picture10-799f4cf66553219b.jpeg(22) https://1.f.ix.de/scale/geometry/696x500/q75/imgs/71/1/1/8/5/3/2/4/Bildschirmfoto_2014-03-05_um_12.44.36-4f070149449161d4.png(23) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fe/Electrowetting.png(24) http://cdn2.weka-fachmedien.de/media_uploads/images/IMPORTED_dba03b73a52bebedafe1c7ef1629c03f.jpg(25) https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/Piezoefekt350px.gif(26) https://www.piceramic.de/fileadmin/_processed_/a/6/csm_PI_P-876_38bf31dcb9.jpg(27) https://www.physikinstrumente.de/fileadmin/_processed_/e/8/csm_PI_P-882-P-888_01_f87cb73749.jpg(28) https://www.physikinstrumente.de/fileadmin/_processed_/e/8/csm_PI_P-882-P-888_01_f87cb73749.jpg(29) http://www.sh-bauphysik.de/images/schall-03.jpg(30) http://www.c-turbines.ch/img/langeweile/zitronenbatterie/5.jpg(31) http://www.nature.com/article-assets/npg/ncomms/journal/v2/n8/images_hires/w926/ncomms1454-f5.jpg(32) http://bilder.t-online.de/b/41/28/78/06/id_41287806/610/tid_da/index.jpg(33) http://www.enviu.org/wp-content/uploads/2015/10/1.-street-1024x734.jpg(34) http://www.bahnbilder.de/1200/gueterwagen-eisenbahnmuseum-bochum-dahlhausen-06072014--799753.jpg(35) http://media.uccdn.com/images/0/4/9/img_que_es_el_dia_mundial_del_medio_ambiente_y_como_celebrarlo_6940_orig.jpg(36) http://www.skoda-auto.de/shared/SiteCollectionImages/models/new-octavia/octavia/octavia-g-tec/new-overview/octavia-gtec-cng-02.jpg(37) http://de.ventilation-system.com/images/image/TwinFresh-dom-500.gif(38) https://de.wikipedia.org/wiki/Ferroelectric_Random_Access_Memory#/media/File:1T_FeRAM_cell_structure.svg(39) https://www.sony.net/SonyInfo/News/Press/200708/qfhh7c00000dzvg6-img/qfhh7c00000dzvif.jpg(40)http://i.dailymail.co.uk/i/pix/2013/08/26/article-2402158-1B75E780000005DC-655_964x641.jpg(41) https://en.wikipedia.org/wiki/File:Tuning_capacitor.jpg(42) http://www.weltderphysik.de/typo3temp/_processed_/csm_20150424_Piezo2_wsa_5a3b2207cb.jpg(43) http://i45.photobucket.com/albums/f96/geof_q/IMG_0603.jpg(44) http://www.schulverein-bonni.de/jpg/projekte-2010_2011-physik_plattenkondensator.jpg(45) http://de.academic.ru/pictures/dewiki/65/ANKAWU-Ampelmannchen-og.jpg(46) http://ambiq.publitek.com/wp-content/uploads/2016/11/Low-power-MCU.png(47) http://voltreepower.com/images/bioHarvester_image.jpg(48) http://jerryfahrni.com/wp-content/uploads/2012/07/rfidlogo1.jpg(49) http://www.seminarsonly.com/electronics/Bio%20Battery.jpg(50) http://www.hsm-forest.net/cms/tl_files/HSM/images/405_H.jpg(51) http://i.hufpost.com/gen/1768306/images/o-UMWELTSCHUTZ-facebook.jpg
(grüner Haken) http://www.tigon-ag.de/eh-content/pages/5140/images/Haken%20gruen_2D.png(rotes Kreuz) https://openclipart.org/image/800px/svg_to_png/10941/TzeenieWheenie-red-green-OK-not-OK-Icons-1.png
06.02.2017 Energy Harvesting
Energie, die geerntet werden kannMechanisch
Elektrostatik
Ursache
Spannung
Wirkungsgrad
Anwendungen
unterschiedlich
90%
Schalter, Sensoren, Energierück-gewinnung
U=E⋅d
W=12⋅C⋅U 2
(42)
(44)
06.02.2017 Energy Harvesting
Thermoelektrische Generatoren (TEG)Theorie
● Seebeck-Efekt (Thomas Johann Seebeck, 1821)–
– Seebeck Koeffizient S wird experimentell bestimmt● Häufige Kombinationen (Werte bei 273K)
– Bismut (-68µV/K) und Tellur (500µV/K)– Nickel (-15µV/K) und Silizium (440µ/K)
● Wirkungsgrad abhängig von– Leistungszahl ZT
●
– σ: elektrischer Widerstand, λ: thermischer Widerstand, T: Temperatur● Aktuelle Forschungen erreichen Werte von 2 bis 2,5
U=(SB−S A)⋅(T 2−T 1)⋅N
ZT=S2⋅σ⋅Tλ
06.02.2017 Energy Harvesting
µTEG vs. mTEG
(12)(11)
µTEG
80 1/cm²210 Ohm28 K/W40 mV/K0.15120 mV
mTEG
10 1/cm²
3 Ω42 K/W7 mV/K0.83<50 mV
Anzahl Pfeiler NEl. Widerstand σTh. Widerstand λSeebeck-Koeffizient S→ Modul ZT→ Modul min. Spannung U
06.02.2017 Energy Harvesting
Thermoelektrische Generatoren (TEG)Spannungsregelung
● µTEG– Uµ,min = 120mV
→ Single Conductor– bq25504 (aktiv)
- benötigt Supportspannung
+ Auto. Arbeitspunkt-anpassung → geregelte Ausgangsspannung
● mTEG– Um,min = <50mV
→ Coupled Conductor– LTC3108 (passiv)
- Voreingestellte Verstärkung → Effizienz durch Linearregler stark beeinträchtigt
+ bei <<1µA deutlich effizienter
06.02.2017 Energy Harvesting
Thermoelektrische Generatoren (TEG)Energiemanagement
● Bluetooth Low Energy– Verbindungsaufbau in 3ms statt 100ms– Datenübertragung findet in kurzen Bursts statt
● FRAM– Ferromagnetischer RAM– Nicht-flüchtig (10 Jahre)– Schreibzeit ca. 100 ns
● entspricht Standard-SRAM(39)