Die Zukunft der MCUs Alles über Speicher, Rechenleistung, Gehäuse und Sicherheit

Autor / Redakteur: (hh) / Holger Heller

Innerhalb weniger Jahrzehnte hat sich die Elektronik zu einem allgegenwärtigen Bestandteil unserer unmittelbaren Lebensumgebung entwickelt. Dabei geht es heute nicht nur darum, einfache

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( Archiv: Vogel Business Media )

Innerhalb weniger Jahrzehnte hat sich die Elektronik zu einem allgegenwärtigen Bestandteil unserer unmittelbaren Lebensumgebung entwickelt. Dabei geht es heute nicht nur darum, einfache Steueraufgaben zu realisieren sondern mit hochauflösenden Sensoren die Umwelt zu erfassen, die Daten in Echtzeit zu verarbeiten, zu speichern und zu reproduzieren. Welche Anforderungen lassen sich daraus besonders im Hinblick auf die zukünftige Entwicklung der Mikrocontroller ableiten?

Fingerabdruckerkennung als Zugangskontrolle, GPS zur Navigation im Automobil, automatische Einparkhilfen oder selbst digitale Consumer-Elektronik wie digitale Kameras beinhalten neben den Sensoren meistens hochintegrierte leistungsfähige Mikrocontroller und Prozessoren, die quasi alles, was hör-, fühl-, seh- und riechbar ist, erfassen und verarbeiten können müssen. Die echtzeitnahe Verarbeitung der Daten verlangt hohe Rechenleistung und große, flexible Speicherkapazitäten für die schnelle und nichtflüchtige Speicherung großer Datenmengen.

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Auf der anderen Seite verlangen die großen Programmspeicher eine Hardware-unabhängige und Betriebssystem-orientierte Organisation des Programmes, das den Softwareaufwand weiter erhöht. Und obwohl sich die Embedded-Applikationen mittlerweile quasi über alle Leistungsklassen von Low-End, Low-Power-8-Bit bis hin zu Highend-32-Bit erstrecken, suchen die Anwender nach kompatiblen skalierbaren Mikrocontroller-Plattformen, deren Rechnerkern, Peripherieeinheiten und Prozesstechnologie genug Redundanz und Kompatibilität für zukunftsorientierte Entwicklungen beinhaltet.

Insgesamt ein sich selbst verstärkender Effekt also, der mit ein Grund ist für die hohen Zuwachsraten der 32-Bit-Mikrocontroller. Allerdings erfordert der vermehrte Einsatz solcher MCUs in sicherheitsrelevanten Anwendungen erhöhte Qualitäts- und Zuverlässigkeitsmaßnahmen, um entsprechende Sicherheitsrichtlinien wie z.B. die Sicherheits-Integritäts-Level nach IEC61508 zu erfüllen.

Schwerpunkt Speichertechnologie

Die Dynamik mit der sich die Anforderungen an die Steuergeräte selbst innerhalb eines Geräteentwicklungszyklus heute ändern, erfordert Reprogrammierbarkeit sowie Skalierbarkeit von Rechenleistung und Speicherdichte. Die Basistechnologien der Embedded-MCUs müssen entsprechend der Reprogrammierbarkeit, hohen Zugriffsgeschwindigkeit bei niedriger Stromaufnahme und der hohen Integrationsdichte ermöglichen, was typischerweise mit On-Chip-Flash-Speicher realisiert wird.

Ein aktuelle und schnelle Speichertechnologie für Embedded-MCUs ist das MONOS Flash (Bild 1), das bis zu 100 MHz Single Cycle Random Access bei Sperrschichttemperaturen von 150 °C erlaubt. Diese Technologie ist zurzeit auf 90 nm skaliert und eignet sich daher besonders für Speicherintegrationen von mehr als 1 MByte. In Zukunft könnte Magnetic-RAM-(MRAM-)Speicher die Flash-Technologie ablösen, insbesondere aufgrund der nahezu unbegrenzten Schreib-Lesezyklen sowie der ebenfalls hohen Lesegeschwindigkeit.

Embedded-MRAM-Speicherarrays in 130-nm-Technologie wurden bei Renesas bereits mit mehr als 1013Schreibzyklen und weniger als 10 ns Zugriffszeit evaluiert (Bild 2). Diese Eigenschaften machen MRAM zum idealen Kandidaten für eine homogene Speichertechnologie, welche die Funktion von Datenspeicher, EEPROM und Programmcodespeicher gleichzeitig übernimmt. Der Einsatz von MRAM in Embedded-MCUs mit Prozessstrukturen ab 65 nm wird die Funktionalität der Steuergeräte wieder stark beeinflussen ähnlich wie dies bei der Einführung des Embedded Flash der Fall war.

Rechenleistung

Die Zugriffsgeschwindigkeit des Embedded-Speichers sowie die Verlustleistung bilden allerdings die begrenzenden Faktoren für die maximale Taktrate und Rechenleistung der Chips. Insbesondere bei kleineren Strukturbreiten steigt der Leckstrom der CMOS-Logik und verursacht eine hohe Verlustleistung. Für Mikrocontroller-Anwendungen mit hoher Rechenleistung verwendet Renesas daher den superskalaren 32-Bit-Rechnerkern SH2A mit Fließkommaberechnung, dessen Leistungsentwicklung in der Prozess- und Speichertechnologie durch erweiterte Cache-Speicher, multiple Busstrukturen sowie Dual- bzw. Multiple-Core-Architekturen ergänzt wird.

Mit zusätzlicher fester oder rekonfigurierbarer On-Chip-Logik kann der Anwender die bis zu 32-fache Rechenleistung bei gleicher Taktfrequenz erzielen. Beispiele für solche Anwendungen sind 3D-Grafikbeschleuniger für Navigationssysteme oder Objekterkennungs-IP für Fahrerassistenzsysteme. Dabei handelt es sich nicht nur um anwendungsspezifisches IP. Encoder/Decoder-Algorithmen wie z.B. AAC, MP3, WMA, ATRAC3/plus, Real Audio, aacPlus werden sowohl von Mobile-/Car-Infotainment als auch von digitalen Consumer-Anwendungen genutzt, womit sich die Implementierung von entsprechendem Hard-/Software-IP segmentübergreifend lohnt.

Knapp bemessener Bauraum

Speziell bei knapp bemessenem Bauraum von Geräten der Mobilkommunikation oder digitalen Kameras erreicht man hohe Integrationsdichten sowohl mit monolithischem Chip-Design, als auch mit modernen Produktionstechnologien wie Multichip Packaging bzw. SIP-Lösungen (System in Package). Dabei werden in einem Gehäuse die Chips entweder nebeneinander (side-by-side) oder gestapelt (stacked) angeordnet. Speziell für hoch integrierte applikationsspezifische Anwendungen ist diese Fertigungstechnologie eine Alternative zu den Single-Chip-SOCs.

Schutz vor Fehlfunktionen

Sicherheitsrelevanz bringt man typischerweise mit Anwendungen wie Airbag, ABS, Medizin- oder Industrieautomation in Verbindung. Im Notfall können aber auch einfache Anwendungen wie Türöffner oder ein elektronisches Türschloss ein Sicherheitsrisiko darstellen. Auch die Vernetzung der Steuergeräte sowie die Objektcode-Einbindung von Software Dritter erhöht die Gefahr der Fehlfunktion.

Zum Schutz davor und vor beabsichtigten oder unbeabsichtigten Manipulationen wird die nächste Generation von Mikrocontrollern eine ganze Reihe von Schutzmaßnahmen anbieten. Dazu zählen Selbsttestfunktionen beim Start-up und zur Laufzeit, Supervisormodus für die selektive Zuweisung von Schreib-Lese-Zugriffsrechten und die Timeout-Überwachung von Betriebssystem-Tasks durch unabhängige nicht maskierbare Timerfunktionen. Diese Mikrokontrollerfunktionen unterstützen insbesondere die Steuergerätequalifikation nach gängigen Sicherheitsstandards wie z.B. IEC 61508.

Renesas, Tel. +49(0)89 380700

*Michael Loch ist System Application Engineer in der Automotive Business Unit bei Renesas in Ratingen.

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