Stromsparende Mikrocontroller STMicro verspricht bis zu 90% geringere Leistungsaufnahme

Redakteur: Michael Eckstein

Mehr Rechenleistung bei geringerem Stromverbrauch: STMicro hat die neue Top-Serie STM32U5 seiner Ultra-Low-Power-Controller vorgestellt. Besonderen Wert legt der Hersteller auch auf die Cybersicherheit der Bausteine.

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Knauser-Klötze: Die STM32U5-Mikrocontroller sind die neuen Topmodelle im Ultra-Low-Power-Portfolio des europäischen Halbleiterherstellers.
Knauser-Klötze: Die STM32U5-Mikrocontroller sind die neuen Topmodelle im Ultra-Low-Power-Portfolio des europäischen Halbleiterherstellers.
(Bild: STMicroelectronics)

Industriesensoren, Medizingeräte, Wearables oder Heimautomations-Equipment haben eines gemeinsam: Sie sollen bei definierter benötigter Rechenleistung so wenig Strom wie möglich verbrauchen. STMicroelectronics (STMicro), nach Renesas weltweit zweitgrößter Anbieter von Mikrocontrollern, hat für derartige Anwendungen die Serie STM32U5 mit aktuell 24 Varianten entwickelt.

Nach eigener Lesart ist STM32U5 das neue Flaggschiff des eigenen Portfolios an Ultra-Low-Power-MCUs und erreicht mit einer maximalen Taktfrequenz von 160 MHz bis zu 240 DMIPS sowie 535 Punkte im ULPMark-Core-Profile-Benchmark. Wie alle STM32-MCUs basieren auch die neuen Bausteine auf den sehr energieeffizienten Cortex-M-Prozessoren von IP-Entwickler ARM.

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Konkret kombiniert STMicro einen Cortex-M33-Kern mit proprietären Stromsparfunktionen. Ebenfalls an Bord sind nach eigenen Angaben neben ARMs Trustzone fortschrittliche Cybersecurity-Features mit neuen, hardwarebasierten Schutzmerkmalen gemäß PSA und SESIP (Security Evaluation Standard for IoT Platforms) Assurance Level 3 sowie dedizierte Grafikbeschleuniger. FMAC- und Cordic-Blöcke beschleunigen mathematische Berechnungen.

Mit den neuen MCUs will STMicro seine Erfolgsgeschichte der letzten beiden Dekaden weiterschreiben: „Bei den General-Purpose-MCUs konnten wir unseren Marktanteil auf heute über 20% ausbauen – beginnend von 2% im Jahr 2007“, sagt Yvon Gourdou, Application Marketing Director EMEA von STMicro. Automotive-MCUs sind in dieser Betrachtung allerdings nicht enthalten. „Im Ultra-Low-Power-Segment sind wir besonders stark und haben einen Marktanteil von rund 25%“, ergänzt Ricardo de Sa Earp, Group Vice President und General Manager der Microcontroller Division von STMicroelectronics.

Mit vielen Stellschrauben auf Stromsparen getrimmt

STM32U5 sind die ersten STM32-MCUs, die STMicro im 40-nm-Prozess herstellt. Nach eigenen Angaben ist dieses Fertigungsverfahren besonders gut für Mikrocontroller geeignet, die sowohl in den dynamischen Betriebsarten als auch in den Stromspar-Modi auf eine besonders geringe Energieaufnahme getrimmt sind.

Der Hersteller hat die neuen Mikrocontroller mit einem neuartigen Low Power Background Autonomous Mode (LPBAM) ausgestattet, in dem die DMA-Funktion (Direct Memory Access) und die Peripherie in Betrieb bleiben, während der Großteil des Bausteins heruntergefahren wird. Die fein abgestufte Kontrolle über die Betriebsarten erlaubt das Abschalten eines Teils des Speichers, sodass keine ungenutzten Zellen versorgt werden müssen. „Für viele Ausgaben, etwa das regelmäßige Sammeln von Daten der Peripheriekomponenten, braucht es den M33-Kern nicht. Dieser bleibt somit länger inaktiv“, sagt Bertrand Denis, Product Marketing Manager für STM32-MCUs. Dadurch ließe sich die Leistungsaufnahme um bis zu 90% senken.

Energieaufnahme skaliert mit den Verarbeitungsaufgaben

Darüber hinaus sind laut STMicro bewährte Features der bisherigen Ultra-Low-Power-MCUs STM32L0, STM32L4 und STM32L5 integriert, etwa die dynamische Spannungs-Skalierung, die die Energieaufnahme abhängig von den Verarbeitungsaufgaben optimiert, und der ST ART Accelerator zum effizienten Auslesen des Flash-Speichers. Ein Update des ST ART Accelerators erlaube nun das Auslesen von externem Flash-Speicher zusätzlich zum internen Speicher des Mikrocontrollers.

Im Chip sind ein DC/DC-Wandler und ein Low-Dropout-Regler (LDO) parallelgeschaltet und lassen sich dynamisch auswählen. Mit all diesen Maßnahmen sollen die STM32U5-MCUs in der Lage sein, ihren dynamischen Stromverbrauch auf unter 19 µA/MHz zu reduzieren.

Aufgewertete Peripheriefunktionen

Je nach Modell integriert STMicro bis zu 2,0 MByte On-Chip-Flash sowie eine schnelle Schnittstelle zum Anbinden externer Speicher. Bis zu 0,5 MByte des chipinternen Flash-Speichers sind jetzt für bis zu 100.000 Schreib-Lese-Zyklen ausgelegt, um die verlässliche Speicherung von Anwenderdaten zu gewährleisten. Wie der chipinterne Flash- unterstütz auch der Arbeitsspeicher (RAM) ECC (Error Correction Code).

Dank eines schnellen 14-Bit-A/D-Wandlers (ADC) können Entwickler die MCU gut für Sensing- und Tracking-Anwendungen einsetzen. Laut Hersteller erweitern ein Multifunction Digital Filter (MDF) und ein Audio Digital Filter (ADF) die Fähigkeiten des bewährten DFSDM (Digital Filter for Sigma-Delta Modulator). Diese Filter sollen das Detektieren von akustischen Ereignissen verbessern und Anwendern die Möglichkeit geben, KI-Funktionen in kostengünstige und stromsparende Mikrocontroller-Anwendungen einzusetzen.

Verbesserte Cybersecurity-Eigenschaften

Wie sein Vorgänger STM32L5 nutzt die STM32U5-Serie die TrustZone-Funktionen des ARM-Kerns. Darüber hinaus sind ST-spezifischen Security-Features integriert. Dazu zählen AES-Verschlüsselung und Public Key Authorization (PKA), die hardwareseitig gegen Seitenkanal-Attacken per DPA (Differential Power Analysis) geschützt sind. Daten werden mithilfe eines Hardware Unique Key (HUK) geschützt und STM32U5 soll in der Lage sein, Manipulationsversuche zu erkennen. Die interne Überwachung mit der Möglichkeit zum Löschen geheimer Daten im Fall von Perturbations-Attacken helfe beim Einhalten des PCI Security Standards Council (PCI SSC) für PoS-Anwendungen (Point of Sale). Die Krypto-Funktionen sind optional verfügbar.

Großen Wert hat STMicro auf die Integration der neuen MCUs in das bestehende, umfassende Ökosystem an Tools gelegt. Aktuell integriert der Hersteller Microsofts Azure RTOS in die eigene STM32Cube Software Suite, inklusive Konfigurations-Features in den Tools STM32CubeMX und STM32CubeIDE. „Dadurch lassen sich Industriezertifizierungen schneller nutzen“, sagt Gourdou. Für den schnellen Einstieg dient Entwicklern das B-U585I-IOT02A Discovery Kit. „Es unterstützt stromsparende Kommunikation, multimodale Sensorik und die direkte Anbindung an Cloud-Server – und damit eine Vielzahl von Anwendungen“, sagt Denis. Neben Wi-Fi- und Bluetooth-Modulen hat STMicro Mikrofone, Temperatur- und Feuchtesensoren, Magnetometer, Beschleunigungssensor und Drehratengeber sowie Druck-, Time-of-Flight- und Gestenerkennungs-Sensoren integriert.

Laut STMicro sind Muster der STM32U5-MCUs für Leitkunden bereits erhältlich. Die Serienfertigung soll im September 2021 starten, mit Preisen ab 3,60 US-$.

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