CardioNeural-SoC: An Indigenous RISC-V-Based Mixed-Signal System- on-Chip for Multi-Modal Cardiac and Neurological Monitoring — Architecture, RTL Verification, and Pre-Silicon Synthesis Results

In der weiten Landschaft der modernen Medizin ist die Fähigkeit, auf die elektrischen Signale des Körpers zu hören, ein Eckpfeiler der Diagnose. Das Herz schlägt mit einem rhythmischen elektrischen Puls, den Ärzte nachverfolgen können, um gefährliche Unregelmäßigkeiten aufzuspüren, während das Gehirn komplexe Muster abfeuert, die den Beginn von Anfällen offenbaren. Jahrzehntelang erforderte die Erfassung dieser Signale sperrige Geräte oder eine Sammlung separater, spezialisierter Chips, von denen jeder darauf ausgelegt war, nur einen Teil des Körpers zu „hören“. In Indien, wo Millionen unter undiagnostizierten Herzerkrankungen und Epilepsie leiden, hat diese Abhängigkeit von importierter Technologie dazu geführt, dass fortschrittliches Monitoring für viele ländliche Kliniken und kleinere Krankenhäuser unerreichbar blieb. Die Kosten für den Import dieser spezialisierten elektronischen Komponenten sind hoch und die Lieferkette ist fragil, was eine kritische Lücke in der nationalen Gesundheitsinfrastruktur hinterlässt. Die Lösung für dieses Problem liegt nicht im Bau besserer einzelner Sensoren, sondern in der Kombination dieser zu einem einzigen, einheitlichen Gerät, das gleichzeitig das Herz, das Gehirn und den Blutfluss überwachen kann – und das alles bei einer Preisgestaltung, die lokal gefertigt werden kann.

Ein Team von Forschern des Hindusthan College of Engineering and Technology und der Karpagam Faculty of Medical Sciences hat mit dem Entwurf eines neuen Typs Computerchip namens CardioNeural-SoC einen bedeutenden Schritt in Richtung dieses Ziels unternommen. Dies ist kein fertiges Produkt, das bereits massenproduziert oder an Patienten getestet wurde; vielmehr handelt es sich um einen vollständigen digitalen Bauplan und eine rigorose Simulation eines Geräts, das die medizinische Überwachung in Indien verändern könnte. Die Forscher haben ein Design für ein einziges, winziges Stück Silizium entworfen, das sechs verschiedene Systeme in einem integriert. Dieser Chip soll die sechs bis acht separaten Komponenten ersetzen, die derzeit zum Bau eines Multiparameter-Patientenmonitors benötigt werden. Durch die Kombination der Fähigkeit, Herzsignale, Gehirnwellen und den Blutsauerstoffgehalt auf einem einzigen Die zu lesen, zielt das Design darauf ab, die Kosten dieser Geräte drastisch zu senken und sie für die tausenden kleinen Gesundheitszentren zugänglich zu machen, die derzeit nicht über das Budget für importierte Technologie verfügen.

Der Kern dieser Innovation ist ein Mixed-Signal-System, das auf einem 28-Nanometer-Fertigungsprozess basiert, einem Standard für moderne, effiziente Elektronik. Das Design umfasst vier Kanäle zur Erfassung der elektrischen Aktivität des Herzens, zwei Kanäle für das Gehirn und eine Sensor-Schnittstelle zur Messung des Blutflusses und des Sauerstoffgehalts. Diese analogen Eingänge werden durch ein hochpräzises Konverter-Array in digitale Daten umgewandelt und anschließend von einem maßgeschneiderten digitalen „Gehirn“ auf Basis der RISC-V-Architektur verarbeitet – einem Open-Source-Befehlssatz, der ein flexibles und kostengünstiges Design ermöglicht. Dieser digitale Kern speichert nicht nur Daten; er enthält spezialisierte Hardware-Beschleuniger, die Signale sofort analysieren können, um Herzrhythmusstörungen und die frühen Anzeichen eines epileptischen Anfalls zu erkennen. Um sicherzustellen, dass die Daten bei der drahtlosen Übertragung an ein ärztliches Gerät geschützt bleiben, enthält der Chip zudem ein integriertes Verschlüsselungssystem und eine stromsparende Bluetooth-Verbindung.

Die Forscher blieben nicht beim Zeichnen der Schaltung stehen; sie erstellten ein vollständiges virtuelles Modell des gesamten Systems und unterzogen es einer Reihe von neun verschiedenen Tests, um sicherzustellen, dass alle Teile korrekt zusammenarbeiten. In diesen Simulationen bewältigte der Chip erfolgreich die komplexe Aufgabe, Herz- und Gehirnsignale mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten abzutasten, sie in digitale Zahlen umzuwandeln und die Ergebnisse anschließend zu verschlüsseln und zu übertragen. Die Tests bestätigten, dass der Chip simulierte Herzrhythmusstörungen und den Beginn von Anfällen korrekt identifizieren und klassifizieren konnte, während er gleichzeitig seinen eigenen Stromverbrauch kontrollierte. Die digitale Logik wurde so gründlich geprüft, dass jeder einzelne Testfall bestanden wurde, was beweist, dass das Design in einer virtuellen Umgebung wie vorgesehen funktioniert, noch bevor ein physischer Chip überhaupt hergestellt wird.

Um die physische Dimension dieser Leistung zu verstehen, synthetisierte das Team das Design für einen spezifischen Teil des Chips, der für die Analyse der Signalenergie zuständig ist. Dieser Abschnitt, der als Merkmalsextraktor für die Klassifizierungsalgorithmen fungiert, enthielt über 21.000 einzelne Logikgatter und Speicherelemente. Bei der Layout-Erstellung nahm dieser spezifische Block eine winzige Fläche von weniger als 300.000 Quadratmikrometern ein. In Bezug auf die Leistung wurde geschätzt, dass dieser Block etwa 46 Milliwatt verbraucht, wenn er mit voller Geschwindigkeit läuft, wobei der Großteil des Verbrauchs durch die Schaltaktivität der internen Register bestimmt wird. Die Zeitanalyse zeigte, dass die Daten durch den kritischsten Pfad dieser Schaltung exakt rechtzeitig fließen konnten, mit einer Fehlermarge von Null bei der Zielgeschwindigkeit von 200 Millionen Zyklen pro Sekunde. Dieses Null-Margen-Ergebnis ist eine bekannte Herausforderung, die das Team als etwas anerkennt, das bei der Finalisierung des physischen Layouts adressiert werden muss, aber es bestätigt, dass das Design an der Grenze der Machbarkeit operiert.

Die Motivation hinter dieser Arbeit reicht über technische Spezifikationen hinaus und bezieht sich auf eine klare wirtschaftliche und soziale Realität. Die Forscher schätzten, dass Indien derzeit jährlich etwa 427 Crore Rupien an medizinischen Überwachungschips aus fünf großen Gerätekategorien importiert, darunter Intensivüberwachungsmonitore und Wearable-Patches. Durch den Ersatz dieser importierten Komponenten durch einen im Inland entwickelten Chip zielt das Projekt darauf ab, einen signifikanten Teil dieses Marktes zu erschließen, was potenziell hunderte von Crores pro Jahr für das Gesundheitssystem einsparen könnte. Diese Kostensenkung dient nicht nur dem Profit, sondern der Zugänglichkeit. Das Design zielt auf einen Preispunkt ab, der es ländlichen Gesundheitszentren ermöglichen würde, dasselbe Niveau der Überwachung zu finanzieren, das derzeit Elite-Krankenhäusern vorbehalten ist – dies könnte die Diagnose für Millionen von Menschen mit Epilepsie und Herzkrankheiten ermöglichen, die derzeit unbehandelt bleiben.

Trotz der erfolgreichen Simulationen und der vielversprechenden Marktanalyse weist das Paper vorsichtigerweise darauf hin, was bisher noch nicht erreicht wurde. Es wurde noch kein physischer Chip hergestellt, und es wurden noch keine Messungen an einem realen Silizium-Bauteil vorgenommen. Die analogen Komponenten, wie etwa die Verstärker, die die schwachen elektrischen Signale von der Haut verstärken, befinden sich noch auf der Stufe der Architektur-Spezifikation und wurden noch nicht gebaut oder getestet. Die Forscher merken explizit an, dass die Leistungs- und Timing-Werte auf Computermodellen basieren und dass die endgültige Leistung erst nach der Fertigung und dem Testen des Chips im Labor bekannt sein wird. Das Design wurde noch nicht an menschlichen Patienten validiert, und die klinischen Behauptungen bezüglich seiner Fähigkeit zur Diagnose von Krankheiten sind zukünftige Ziele und keine gegenwärtigen Fakten.

Der Weg für das CardioNeural-SoC-Projekt führt von diesen digitalen Blaupausen in die physische Welt. Zu den nächsten Schritten gehören der Entwurf der kundenspezifischen analogen Schaltkreise, die Anordnung des physischen Layouts des Chips und die Übermittlung des fertigen Designs an eine Fertigungsstätte in Chandigarh für einen Testlauf. Sobald ein physischer Chip produziert wurde, wird er strengen Tests unterzogen, um zu verifizieren, ob er die Leistungsziele für Rauschen, Signalqualität und Energieeffizienz erfüllt. Erst nach diesen physischen Validierungen und einer klinischen Pilotstudie unter Einbeziehung von Patienten wird das Gerät marktreif sein. Bis dahin steht die Arbeit als umfassender Proof of Concept da, der demonstriert, dass ein einziger, einheimischer Chip, der sowohl das Herz als auch das Gehirn überwachen kann, technisch möglich ist und bereit für die nächste Entwicklungsphase ist.