Vorteile von ASICs für Industrie-4.0-Anwendung nutzen

| Autor / Redakteur: Darren Hobbs * / Michael Eckstein

Alles drin: Ein ASIC kann eine komplette Schaltung inklusive Analog-Frontend, Processing-Modul und Kommunikationsanbindung in einen kompakten Chip integrieren.
Alles drin: Ein ASIC kann eine komplette Schaltung inklusive Analog-Frontend, Processing-Modul und Kommunikationsanbindung in einen kompakten Chip integrieren. (Bild: Adesto)

Industrielle IoT-Knoten vereinen verschiedene Funktionsgruppen, die je nach Anforderung kombiniert werden. Die Integration in ein kundenspezifisches System-on-a-Chip bietet mehrere Vorteile.

Minimale Latenzen sind Grundvoraussetzung für das Funktionieren von Regelkreisen in der industriellen Fertigung. Das gilt besonders für die Vernetzung von Maschinen über das industrielle Internet of Things (IIoT). Kurze Reaktionszeiten erfordern daher eine Daten(vor)verarbeitung direkt im Zugangsbereich des Netzwerks, dem Edge. Also dort, wo beispielsweise Sensoren Daten generieren und Gateways diese zusammenführen. Das setzt eine effiziente Datenkommunikation voraus, die zudem wirksam abgesichert sein muss. Die Anforderungen an das IIoT sind dabei so vielfältig, dass es keine allgemein verwendbare Standardlösung gibt. Ein kundenspezifischer ASIC-Ansatz (Application Specific IC) kann daher selbst bei geringen Produktionsmengen kostengünstig sein.

Hardware und Software definieren das Produkt

Ein kundenspezifischer ASIC als Basis eines Produkts bietet eine Reihe von Vorteilen. Ein solcher Baustein kann die Kosten, die Größe und den Stromverbrauch der Hardware verringern. Es lassen sich Designbedingungen erfüllen, die mit diskreter Hardware nicht möglich sind, was wiederum neue Produktklassen und somit Wettbewerbsvorteile möglich macht. Zudem ist die eigene IP in diesen Produkten besser geschützt. Es ist viel schwieriger für einen Wettbewerber, eine ASIC-basierte Lösung einem Reverse Engineering zu unterziehen und zu kopieren.

Ein kundenspezifischer ASIC kann den Hardware-Kern eines Produkts bilden – aber es ist die Software, die die Funktionalität definiert und das Produkt zum Leben erweckt. Das bedeutet, dass derselbe ASIC als Basis eines abgestuften Angebots und für verwandte Anwendungsbereiche zum Einsatz kommen kann. Die Funktionalität für jede Variante wird dann durch Software und möglicherweise zusätzliche periphere Hardware bereitgestellt. Dieser Ansatz verringert die für eine Produktfamilie nötige Stückliste und vereinfacht die Bestandsverwaltung.

Softwaredefinierte Funktionen machen ein Produkt auch zukunftssicherer. Neue Funktionen lassen sich hinzufügen, sobald sich Kunden- oder Marktanforderungen ändern.. So lassen sich beispielsweise neue Kommunikationsstandards oder Medien-Codecs unterstützen, ohne die Hardware zu ändern. Auch Fehler lassen sich dann während des Produktlebenszyklus beheben. Das Aktualisieren vernetzter Geräte kann live bei Verfügbarkeit eines Updates oder bedarfsgesteuert erfolgen. In einer zunehmend vernetzten Welt gewinnt dieser Aspekt für die Sicherheit der Systeme enorm an Bedeutung. Für bestimmte Produktklassen kann es sogar nützlich sein, dem Endnutzer oder Dritten die Möglichkeit zu geben, Anpassungen über Software bereitzustellen – vielleicht in Form von Apps oder Plug-ins.

Gutes Software-Ökosystem ist Voraussetzung

Ein gutes Software-Ökosystem ist für die Entwicklung eines ASIC-basierten Produkts unerlässlich. Unterstützung bieten kompatible Hardware-Komponenten. Zu den erforderlichen Software-Komponenten gehören:

  • Entwicklungstools, darunter Compiler, Debugger, Debug-Adapter und Profiling-Tools, die alle von einer leistungsstarken integrierten Entwicklungsumgebung (IDE) unterstützt werden.
  • Ein Betriebssystem, z.B. Embedded Linux oder ein Echtzeitbetriebssystem (RTOS).
  • Middleware-Komponenten und Bibliotheken zur Unterstützung von Peripherie und für schnelle Anwendungsentwicklung.

Für jeden Mikrocontroller stehen verschiedene Entwicklungstools zur Auswahl. Eine Möglichkeit ist der Einsatz kostenloser OSS-Tools (Open Source Software), wie der GCC-Compiler-Suite, dem GDB-Debugger usw. Auch OSS-Middleware-Komponenten und IDEs wie Eclipse stehen bereit. Dieser Ansatz bietet eine Lösungsauswahl und Flexibilität. Nicht zu vergessen sind aber die versteckten Kosten für freie Software. So ist zusätzliche Arbeit erforderlich, um alle erforderlichen Tools zu finden, zu integrieren und sie auf dem neuesten Stand zu halten. Der Support ist zudem begrenzt und häufig nur über die User-Community erhältlich.

Geeignete Tools werden häufig von den Prozessorherstellern bereitgestellt. Einige Anbieter bieten nur eine kommerzielle Lösung, während andere ein ganzes Paket bereitstellen, das auf Open Source-Tools und einem anderen, umfassenderen, kommerziellen Satz von Tools basiert. Kommen die Tools zum Einsatz, die der Prozessorhersteller anbietet, handelt es sich meist um ein vollständiges Paket von Tools, Betriebssystemen und anderen Komponenten, die genau das IP/Know-how des Herstellers unterstützen. Wählt man beispielsweise das ARM Keil RTX-Betriebssystem, ist man auch an die ARM µVision Keil-IDE, den ARM C/C ++ Compiler, den ARM Keil ULINK-Debug-Adapter und den ARM Keil µVision-Debugger gebunden.

Kommerzielle Produkte enthalten häufig Code-Generierungs-Tools, die eine grafische Benutzeroberfläche (GUI) verwenden, um Überblickscode zu erstellen, der die ausgewählte Hardware konfiguriert und das RTOS für die Anwendungsausführung einrichtet. Schnelle Entwicklungstools wie diese erleichtern die Programmierung eines komplexen Embedded-Systems erheblich. Middleware-Komponenten können die Softwareentwicklung beschleunigen, indem sie optimierte und verifizierte Software für übergeordnete Funktionen bereitstellen, z.B. Datenanbindung, Kommunikationsprotokolle, Netzwerk-Stacks, Verschlüsselung und Sicherheit. Kommerzielle Software beinhaltet die Option für professionellen Support und regelmäßige Updates. Drittanbieter von Halbleiter-IP bieten ebenfalls Software-Support. Oft handelt es sich dabei um einsatzbereite Software einschließlich Treiber und Beispielcode. Diese Software sollte in einer Form vorliegen, die direkt mit den ausgewählten Entwicklungstools und IDEs verwendet werden kann.

Möglichst viel Software für den ASIC wiederverwenden

Findet der Übergang von der Board-Level-Implementierung auf ein ASIC statt, lässt sich das Wiederverwenden der Software-Investitionen maximieren. Etwa, wenn man den gleichen Prozessor-Core für den Mikrocontroller wählt. Dann lassen sich dieselben Entwicklungstools verwenden, und die vorhandene Software kann auf die neue Hardware übertragen werden. Die Low-Level-Software für den Zugriff auf und die Konfiguration der Schnittstellen und Peripherie im ASIC weist zwar einige Unterschiede auf – diese sollten jedoch für die Anwendungsebene weitgehend verborgen sein. Die Plattform muss die Hardware-Unterstützung für die Anwendungs- und Entwicklungstools bereitstellen. Dies erfordert ein robustes Hardware-Ökosystem.

Die SmartEdge-Plattform enthält IP für Analoge Frontends für Sensoren und drahtlose Kommunikation, Taktgeber und PLLs, A/D- und D/A-Wandler, Stromrichter und Spannungsreferenzen, HF-Komponenten und Temperatursensoren. Der gewählte Prozessorhersteller verfügt über die nötigen Support-Komponenten, etwa On-Chip-Bus, Interrupt-Controller, Debug-Schnittstellen (gängige Standards wie JTAG, SWD, SWO) und Grafikbeschleuniger. Zahlreiche weitere IP ist über CAD-Anbieter und Dritte erhältlich. Dazu zählen Prozessor-Cores, Speicher (SRAM, Flash), Kommunikationsschnittstellen (Bluetooth, Ethernet, Wi-Fi, USB usw.), industrielle Kommunikation (FOUNDATION Fieldbus und HART), Hardwarebeschleuniger für Sicherheit (z. B. AES und SHA) und Media-Codecs, Sensoren zur Messung von Beschleunigung, Druck und anderen Umgebungsparametern, digitale Schnittstellen (GPIO, SPI, I2C UART) sowie Peripherie für Power Management und Systemsteuerung.

Die ASIC- und IP-Abteilung der SmartEdge-Plattform von Adesto deckt alle Komponenten ab, die eine intelligente Edge-Einrichtung benötigt: analoges Frontend (AFE), intelligente Kalibrierung, Steuerung, Kommunikation und Sicherheit. Adesto arbeitet dabei mit verschiedenen Anbietern von Halbleiter-IP und unterstützender Software zusammen. Zudem können Embedded-Software-Entwicklungsteams intern und über Partner bereitgestellt werden.

* Darren Hobbs ist Vice President der ASIC and IP Division von Adesto Technologies in Cork.

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