IoT ohne Batterie: Renesas schrumpft den MCU-Strombedarf um 90 Prozent

| Autor: Michael Eckstein

Batterieloses IoT: Der neue Energy-Harvesting-Embedded-Controller R7F0E von Renesas verbraucht dank SOTB-Prozesstechnologie sehr wenig Strom.
Batterieloses IoT: Der neue Energy-Harvesting-Embedded-Controller R7F0E von Renesas verbraucht dank SOTB-Prozesstechnologie sehr wenig Strom. (Bild: Renesas)

Die neuartige SOTB-Prozesstechnologie von Renesas soll die Schalt-und Leckströme integrierter Transistoren drastisch verringern. So weit, dass damit aufgebaute IoT-Endgeräte allein auf Basis von Umgebungsenergie sogar Embedded-KI-Berechnungen („e-AI“) durchführen könnten.

Auf der Electronica 2018 hat Halbleiterspezialist Renesas einen Embedded-Controller für Energy-Harvesting-Anwendungen vorgestellt, der mit extrem wenig Strom auskommt: Der R7F0E soll nur 20 μA/MHz im aktiven Betrieb und sowie nur 150 nA im Deep-Standby benötigen – das entspricht etwa einem Zehntel des Wertes herkömmlicher Low-Power-MCUs. „Damit ist es möglich, IoT-Geräte aufzubauen, die ganz ohne Batterien auskommen“, erklärt Renesas-Europachef Michael Hannawald im Gespräch mit ELEKTRONIKPRAXIS. Nach seinen Worten basiert der neue Embedded-Controller auf „der bislang einzigartigen SOTB-Prozesstechnologie von Renesas“.

SOTB steht für „Silicon-on-Thin-Buried-Oxid“, zu Deutsch etwa „Silizium auf dünner Oxidschicht“: Auf dem Siliziumsubstrat des Wafers wird ein Oxidfilm (BOX: Buried Oxide) abgeschieden, bevor darüber eine dünne Siliziumschicht aufgebracht wird, die den leitenden Kanal bildet. Der Oxidfilm isoliert diesen Kanal von dem darunterliegenden Silizium.

Gleichzeitig wird das Potenzial des Siliziumsubstrats unterhalb der BOX-Schicht mit einer Back-Bias-Schaltung so gesteuert, dass die Leckströme reduziert und der Stromverbrauch im Standby-Modus weiter verringert wird. Die dünne Siliziumschicht des Kanals ist nicht dotiert, was einen stabilen Betrieb bei ebenfalls niedrigen Spannungen gewährleistet. „Dadurch können wir den Arbeitspunkt in den optimalen Bereich legen. So gerüstet, sind die Bausteine in der Lage, eine hohe Rechenleistung bei ausgezeichneter Energieeffizienz zu liefern“, freut sich Hannawald.

Leck- und Schaltströme um 90 Prozent verringert

Das Ergebnis: Die von Renesas entwickelte Prozesstechnologie ermöglicht eine extreme Reduzierung des Arbeitsstroms der integrierten Transistoren im aktiven sowie im Standby-Modus. „Beim Optimieren bisheriger MCU-Herstellungsverfahren ist es nicht möglich, den Strom in beiden Betriebsmodi gleichermaßen zu verringern“, erklärt der Europachef von Renesas. So führte etwa das Verkleinern der Strukturgrößen bisher zwangsläufig zu höheren Leckströmen.

Das erste kommerzielle Produkt, das Renesas mit seiner neuen SOTB-Technologie herstellt, ist der R7F0E: Ein 32-Bit-Embedded-Controller auf der Basis eines ARM Cortex, der mit bis zu 64 MHz taktet und beispielsweise Sensordaten schnell lokal verarbeiten und komplexe Analyse- und Steuerfunktionen ausführen kann.

Mit dem R7F0E lassen sich IoT-Geräte aufbauen, denen allein die Umgebungsenergie als Stromquelle ausreicht. Die Energie lässt sich zum Beispiel über Piezokristalle, Temperaturunterschiede, Licht, Vibrationen oder auch Flüssigkeitsströme abgreifen. „Der Einsatz von extrem stromsparenden Technologien und Energy Harvesting eröffnet einen neuen Markt für wartungsfreie vernetzte IoT-Sensorgeräte mit Endpunktintelligenz für Anwendungen in Industrie, Büro- und Wohngebäuden, Landwirtschaft, Gesundheitswesen und öffentlicher Infrastruktur sowie in Gesundheits- und Fitnessgeräten, Schuhen, Wearables, Smart Watches und Drohnen“, führt Hannawald aus. Renesas habe bereits damit begonnen, den neuen Embedded-Controller für Betatests an erste Kunden auszuliefern.

Integrierter Energy Harvesting Controller erhöht Stabilität

Der Chip erleichtert Systementwicklern nach Ansicht von Renesas das Design kostengünstiger Produkte mit effizienten Energy-Harvesting-Funktionen. Denn die MCU besitzt „eine innovative und konfigurierbare EHC-Funktion (Energy Harvesting Controller), die die Stabilität des Systems erhöht und die Anzahl kostspieliger externer Komponenten minimiert“. Der EHC ermögliche den direkten Anschluss an viele verschiedene Arten von Umgebungsenergiequellen, etwa Solarenergie, Vibration oder Piezoelektrizität. Gleichzeitig soll der Baustein vor gefährlichen Einschaltstromspitzen beim Hochfahren schützen.

Laut Renesa verwaltet der EHC auch das Laden von externen Energiespeichern wie Superkondensatoren oder optionalen wieder aufladbaren Batterien. Der R7F0E adressiere zudem viele weitere Systemanforderungen für Systeme mit extrem niedrigem Stromverbrauch. Dazu zählt die Fähigkeit, externe analoge Signale kontinuierlich zu erfassen. Denn der integrierte 14-Bit-Analog-Digital-Wandler (ADC) mit 32 kHz Clockrate und 1,6 kS/s verbraucht nur 3 uA Strom und kann so dauerhaft in Betrieb sein.

Der interne 256-kB-SRAM-Datenspeicher benötigt lediglich 1 nA pro kB zu Erhalt des Speicherinhalts. Die integrierte, ebenfalls sparsame Grafikengine kann Inhalte drehen, scrollen und kolorieren. Mit den ausgeklügelten Low-Power-Hardwaretechniken lässt sich ein externes Display ansteuern, das beispielsweise die Memory-In-Pixel-(MIP)-LCD-Technologie verwendet. Diese benötigt praktisch keine Energie zum Anzeigen statischer Bildinhalte. „Schon diese Beispiele verdeutlichen den Blick auf Details, mit dem wir den R7F0E entwickelt haben“, sagt Hannawald.

Integriertes SRAM: 1 nA gegen das Vergessen

Als Prozessor kommt im R7F0E-Embedded-Controller ein Cortex-M0+ zum Einsatz. Der Kern läuft mit bis zu 32 MHz, im Boost-Modus sogar bis zu 64 MHz. Er kann auf 1,5 MB Flash sowie 256 kB SRAM zugreifen. Bei einer Betriebsspannung von 3,0 V benötigt die MCU im Aktivmodus 20 µA/MHz, im Tiefschlafmodus mit Echtzeit-Taktquelle und Reset-Manager 150 nA sowie im Software-Standby mit Beibehaltung der Core-Logik und 32 kB SRAM-Daten nur 400 nA. Darüber hat Renesas mehrere Sicherheitsfunktionen integriert. Dazu zählt ein in Hardware implementierter Zufallszahlengenerator, eine eindeutige ID für jeden R7F0E-Baustein sowie Beschleuniger für die AES-Verschlüsselung.

Renesas plant, ausgehend vom neuen R7F0E-Embedded-Controller seine Produktpalette an Energy-Harvesting-Lösungen mit unterschiedlichen Merkmalen und Funktionen für viele extrem stromsparende Anwendungen auszuweiten. „Energy Harvesting wird zu einer obligatorischen Technologie für eine smarte Gesellschaft“, ist Yoshikazu Yokota überzeugt. Der Executive Vice President und General Manager der Industrial Solution Business Unit unterstreicht, dass Renesas bereit ist, diese Technologie weiterzuentwickeln und den Markt auszubauen. „Renesas treibt die Entwicklung von e-AI voran, um die KI am Endpunkt, direkt in den Embedded-Geräten, zu realisieren.“ Die eigene SOTB-Technologie wird seiner Ansicht nach das Spektrum möglicher Anwendungsfälle erweitern, in denen „die Kombination von e-AI und Energy Harvesting einen sehr großen positiven Einfluss auf unser tägliches Leben haben wird.“

Muster des neuen R7F0E-Embedded-Controllers sind ab sofort für Beta-Kunden verfügbar, Muster für allgemeine Kunden stehen voraussichtlich ab Juli 2019 bereit. Die Serienproduktion soll ab Oktober 2019 beginnen.

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