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

आधुनिक चिकित्सा के विशाल परिदृश्य में, शरीर के विद्युत संकेतों को सुनने की क्षमता निदान का एक आधार स्तंभ है। हृदय एक लयबद्ध विद्युत स्पंदन के साथ धड़कता है जिसे डॉक्टर खतरनाक अनियमितताओं का पता लगाने के लिए ट्रैक कर सकते हैं, जबकि मस्तिष्क जटिल पैटर्न के साथ सक्रिय होता है जो दौरों (सीजर) की शुरुआत को प्रकट करते हैं। दशकों से, इन संकेतों को कैप्चर करने के लिए भारी उपकरणों या अलग-अलग, विशिष्ट चिप्स के संग्रह की आवश्यकता होती थी, जिनमें से प्रत्येक को शरीर के केवल एक हिस्से को सुनने के लिए डिज़ाइन किया गया था। भारत में, जहाँ लाखों लोग बिना निदान वाली हृदय स्थितियों और मिर्गी से पीड़ित हैं, आयातित तकनीक पर इस निर्भरता ने उन्नत निगरानी को कई ग्रामीण क्लीनिकों और छोटे अस्पतालों की पहुँच से दूर रखा है। इन विशिष्ट इलेक्ट्रॉनिक घटकों को आयात करने की लागत अधिक है, और आपूर्ति श्रृंखला नाजुक है, जिससे देश के स्वास्थ्य सेवा बुनियादी ढांचे में एक महत्वपूर्ण अंतर पैदा हो गया है। इस समस्या का समाधान बेहतर व्यक्तिगत सेंसर बनाने में नहीं, बल्कि उन्हें एक एकल, एकीकृत उपकरण में संयोजित करने में निहित है जो हृदय, मस्तिष्क और रक्त प्रवाह को एक साथ सुन सके, और साथ ही इतना किफायती भी हो कि इसे स्थानीय स्तर पर निर्मित किया जा सके।

हिंदुस्तान कॉलेज ऑफ इंजीनियरिंग एंड टेक्नोलॉजी और कार्पगम फैकल्टी ऑफ मेडिकल साइंसेज के शोधकर्ताओं के एक दल ने 'कार्डियोन्यूरल-एसओसी' (CardioNeural-SoC) नामक एक नए प्रकार का कंप्यूटर चिप डिजाइन करके इस लक्ष्य की ओर एक महत्वपूर्ण कदम उठाया है। यह कोई तैयार उत्पाद नहीं है जिसका बड़े पैमाने पर उत्पादन किया गया हो या जिसे मरीजों पर परीक्षण किया गया हो; बल्कि, यह एक पूर्ण डिजिटल ब्लूप्रिंट और एक ऐसे उपकरण का कठोर सिमुलेशन है जो भारत में मेडिकल मॉनिटरिंग के तरीके को बदल सकता है। शोधकर्ताओं ने सिलिकॉन के एक एकल, छोटे टुकड़े का डिज़ाइन तैयार किया है जो छह अलग-अलग प्रणालियों को एक में एकीकृत करता है। यह चिप एक मल्टी-पैरामीटर पेशेंट मॉनिटर बनाने के लिए वर्तमान में आवश्यक छह से आठ अलग-अलग घटकों को बदलने के उद्देश्य से है। हृदय के संकेतों, मस्तिष्क की तरंगों और रक्त के ऑक्सीजन स्तर को एक ही डाई (die) पर पढ़ने की क्षमता को जोड़कर, इस डिज़ाइन का लक्ष्य इन उपकरणों की लागत में भारी कमी लाना है, जिससे ये उन हजारों छोटे स्वास्थ्य केंद्रों के लिए सुलभ हो सकें जिनके पास वर्तमान में आयातित तकनीक के लिए बजट की कमी है।

इस नवाचार का मूल एक 'मिक्स्ड-सिग्नल सिस्टम' है जो 28-नैनोमीटर निर्माण प्रक्रिया पर आधारित है, जो आधुनिक, कुशल इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए एक मानक आकार है। यह डिज़ाइन हृदय की विद्युत गतिविधि को पढ़ने के लिए चार चैनल, मस्तिष्क के लिए दो चैनल और रक्त प्रवाह एवं ऑक्सीजन को मापने के लिए एक सेंसर इंटरफेस को शामिल करता है। इन एनालॉग इनपुट को एक उच्च-सटीक कन्वर्टर एरे द्वारा डिजिटल डेटा में परिवर्तित किया जाता है और फिर RISC-V आर्किटेक्चर पर आधारित एक कस्टम डिजिटल मस्तिष्क द्वारा संसाधित किया जाता है, जो एक ओपन-सोर्स इंस्ट्रक्शन सेट है जो लचीले और लागत प्रभावी डिज़ाइन की अनुमति देता है। यह डिजिटल कोर केवल डेटा स्टोर करने तक सीमित नहीं है; इसमें विशेष हार्डवेयर एक्सेलेरेटर शामिल हैं जो हृदय की लय संबंधी समस्याओं और दौरों की शुरुआती संकेतों का तुरंत पता लगाने के लिए संकेतों का विश्लेषण कर सकते हैं। यह सुनिश्चित करने के लिए कि डेटा डॉक्टर के डिवाइस तक वायरलेस रूप से भेजते समय सुरक्षित रहे, चिप में एक अंतर्निहित एन्क्रिप्शन सिस्टम और एक लो-पावर ब्लूटूथ कनेक्शन भी शामिल है।

शोधकर्ताओं ने केवल सर्किट का चित्र ही नहीं बनाया; उन्होंने पूरे सिस्टम का एक पूर्ण आभासी मॉडल बनाया और यह सुनिश्चित करने के लिए कि प्रत्येक भाग सही ढंग से एक साथ काम करे, इसे नौ अलग-अलग परीक्षणों के माध्यम से चलाया। इन सिमुलेशन में, चिप ने हृदय और मस्तिष्क के संकेतों को अलग-अलग गति से सैंपल करने, उन्हें डिजिटल नंबरों में बदलने और फिर ट्रांसमिशन के लिए एन्क्रिप्ट करने के जटिल कार्य को सफलतापूर्वक प्रबंधित किया। परीक्षणों ने पुष्टि की कि चिप सिम्युलेटेड हृदय अतालता (arrhythmias) और दौरों की शुरुआत को सही ढंग से पहचान सकती है, और यह सब अपने स्वयं के पावर कंजम्पशन को प्रबंधित करते हुए कर सकती है। डिजिटल लॉजिक की इतनी गहन जांच की गई कि प्रत्येक सिंगल टेस्ट केस पास हुआ, जो यह सिद्ध करता है कि भौतिक चिप बनने से पहले ही डिज़ाइन एक वर्चुअल वातावरण में इच्छित रूप से कार्य करता है।

इस उपलब्धि के भौतिक पैमाने को समझने के लिए, टीम ने चिप के उस विशिष्ट भाग के डिज़ाइन को सिंथेसाइज किया जो संकेतों की ऊर्जा का विश्लेषण करने के लिए जिम्मेदार है। यह खंड, जो वर्गीकरण एल्गोरिदम के लिए एक 'फीचर एक्सट्रैक्टर' के रूप में कार्य करता है, पाया गया कि इसमें 21,000 से अधिक व्यक्तिगत लॉजिक गेट्स और मेमोरी तत्व शामिल हैं। जब इसे लेआउट किया गया, तो यह विशिष्ट ब्लॉक 300,000 वर्ग माइक्रोमीटर से कम के सूक्ष्म क्षेत्र को घेरेगा। बिजली के संदर्भ में, यह अनुमान लगाया गया कि यह ब्लॉक फुल स्पीड पर चलते समय लगभग 46 मिलीवाट की खपत करेगा, जो इसके आंतरिक रजिस्टरों की स्विचिंग गतिविधि से प्रभावित है। टाइमिंग विश्लेषण ने दिखाया कि डेटा इस सर्किट के सबसे महत्वपूर्ण पथ (critical path) से बिल्कुल समय पर गुजर सकता है, जिसमें 200 मिलियन साइकिल प्रति सेकंड की लक्षित गति पर शून्य मार्जिन है। यह शून्य-मार्जिन परिणाम एक ज्ञात चुनौती है जिसे टीम स्वीकार करती है कि भौतिक लेआउट को अंतिम रूप दिए जाने पर इसे संबोधित करने की आवश्यकता होगी, लेकिन यह पुष्टि करता है कि डिज़ाइन व्यवहार्यता की सीमा पर है।

इस कार्य के पीछे की प्रेरणा तकनीकी विशिष्टताओं से परे एक स्पष्ट आर्थिक और सामाजिक वास्तविकता है। शोधकर्ताओं ने अनुमान लगाया है कि भारत वर्तमान में पांच प्रमुख डिवाइस श्रेणियों, जिसमें गहन देखभाल मॉनिटर और वियरेबल पैच शामिल हैं, में लगभग 427 करोड़ रुपये के मेडिकल मॉनिटरिंग चिप्स का आयात करता है। एक स्वदेशी रूप से डिज़ाइन किए गए चिप के साथ इन्हें बदलकर, इस परियोजना का लक्ष्य इस बाजार के एक महत्वपूर्ण हिस्से को हासिल करना है, जो संभावित रूप से स्वास्थ्य प्रणाली को सैकड़ों करोड़ बचा सकता है। यह लागत में कमी केवल लाभ के बारे में नहीं है; यह सुलभता के बारे में है। डिज़ाइन एक ऐसे मूल्य बिंदु को लक्षित करता है जो ग्रामीण स्वास्थ्य केंद्रों को उसी स्तर की निगरानी वहन करने की अनुमति देगा जो वर्तमान में विशिष्ट अस्पतालों के लिए आरक्षित है, जिससे संभावित रूप से मिर्गी और हृदय रोग के उन लाखों लोगों तक निदान पहुँच सकेगा जो वर्तमान में उपचार से वंचित हैं।

सफल सिमुलेशन और आशाजनक बाजार विश्लेषण के बावजूद, यह पेपर सावधानीपूर्वक यह बताता है कि अभी तक क्या हासिल नहीं किया गया है। कोई भी भौतिक चिप निर्मित नहीं की गई है, और किसी वास्तविक सिलिकॉन डिवाइस से कोई माप नहीं लिया गया है। एनालॉग घटक, जैसे कि त्वचा से कमजोर विद्युत संकेतों को बढ़ाने वाले एम्पलीफायर, अभी भी आर्किटेक्चरल स्पेसिफिकेशन चरण पर हैं और अभी तक बनाए या परीक्षण नहीं किए गए हैं। शोधकर्ता स्पष्ट रूप से नोट करते हैं कि पावर फिगर और टाइमिंग परिणाम कंप्यूटर मॉडल पर आधारित हैं और अंतिम प्रदर्शन चिप के निर्माण और प्रयोगशाला में परीक्षण के बाद ही ज्ञात होगा। इस डिवाइस को मानव रोगियों पर मान्य (validate) नहीं किया गया है, और बीमारी का निदान करने की इसकी क्षमता के संबंध में नैदानिक दावे भविष्य के लक्ष्य हैं न कि वर्तमान तथ्य।

कार्डियोन्यूरल-एसओसी प्रोजेक्ट का अगला मार्ग इन डिजिटल ब्लूप्रिंट से भौतिक दुनिया की ओर बढ़ने का है। अगले चरणों में कस्टम एनालॉग सर्किट को डिजाइन करना, चिप के भौतिक लेआउट को व्यवस्थित करना और अंतिम डिज़ाइन को ट्रायल रन के लिए चंडीगढ़ में एक फैब्रिकेशन सुविधा में भेजना शामिल है। एक बार जब एक भौतिक चिप उत्पादित हो जाती है, तो इसे शोर (noise), सिग्नल स्पष्टता और बिजली दक्षता के लिए प्रदर्शन लक्ष्यों को सत्यापित करने हेतु कठोर परीक्षण से गुजरना होगा। इन भौतिक सत्यापन और रोगियों वाले पायलट क्लिनिकल अध्ययन के बाद ही यह डिवाइस बाजार के लिए तैयार होगा। तब तक, यह कार्य एक व्यापक 'प्रूफ ऑफ कॉन्सेप्ट' के रूप में खड़ा है, जो यह प्रदर्शित करता है कि एक एकल, स्वदेशी चिप जो हृदय और मस्तिष्क दोनों की निगरानी करने में सक्षम है, तकनीकी रूप से संभव है और विकास के अगले चरण के लिए तैयार है।