Ultra-Low-Power-MCUs mit vielfältigen Ansätzen

Mit der Entwicklung der KI-Technologie werden intelligente Endgeräte immer komplexer. Der Mikrocontroller (MCU), als das zentrale Element zur Verbindung von Sensorik und Aktorik und zur Realisierung der Terminal-Intelligenz, wird ebenfalls immer stärker in spezialisierte Nischen segmentiert.

Der Markt für Ultra-Niedrigleistungs-MCUs ist eine solche Nische. Diese MCUs zeichnen sich durch einen extrem geringen Stromverbrauch aus, typischerweise unterhalb des Mikroampere-Bereichs. Sie nutzen spezielle Designs und Technologien, um den Stromverbrauch so weit wie möglich zu reduzieren und die Batterielebensdauer zu verlängern. Darüber hinaus sind Ultra-Niedrigleistungs-MCUs hochintegriert und können in kleinen Gehäusen mehrere Funktionen realisieren, wodurch die Systemkosten und -komplexität gesenkt werden.

In den letzten Jahren hat der Markt für Ultra-Niedrigleistungs-MCUs rapide gewachsen. Der Marktvolumen wird von 5,12 Milliarden US-Dollar im Jahr 2024 auf 5,66 Milliarden US-Dollar im Jahr 2025 steigen, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 10,6 % entspricht. Dies ist auf die zunehmende Nachfrage nach energieeffizienten Lösungen in verschiedenen Anwendungen zurückzuführen, insbesondere in den Bereichen Internet der Dinge (IoT), Wearables und Smart Home-Technologien. Darüber hinaus treibt der Aufstieg des Edge-Computings die Hersteller an, Ultra-Niedrigleistungs-Mikrocontroller zur lokalen Datenverarbeitung einzusetzen, um die Latenz und die Bandbreitenanforderungen zu reduzieren.

Da sich der Markt für Ultra-Niedrigleistungs-MCUs wie ein neues Ufer zeigt, haben die großen MCU-Hersteller darauf reagiert und versuchen, mit verschiedenen Technologien und Produkten die ersten auf diesem neuen Markt zu „ankommen“.

01 Wie wird Ultra-Niedrigleistung erreicht?

Zunächst ist die Frage, wie Ultra-Niedrigleistungs-MCUs ihren geringen Stromverbrauch erreichen, ein interessantes Thema.

Einfach ausgedrückt, kann man den Stromverbrauch eines MCUs in folgenden fünf Bereichen reduzieren:

1. Technologie: Die Chipgröße des MCUs, die Anzahl der Transistoren, die Integration auf dem Chip und die Anzahl der verwendeten analogen Funktionen/Peripheriegeräte.

2. Versorgungsspannung: Der Stromverbrauch in CMOS-Logikschaltungen ist proportional zum Quadrat der Versorgungsspannung.

3. Taktfrequenz: In Anwendungen, die keine Hochgeschwindigkeitsverarbeitung erfordern, kann die Reduzierung der Taktfrequenz den Stromverbrauch senken.

4. Peripheriegeräte: Je mehr Peripheriegeräte aktiviert sind oder je mehr MCU-Funktionen genutzt werden, desto höher ist der Stromverbrauch.

5. Betriebsmodus: Der Stromverbrauch ändert sich je nach dem Betriebsmodus der Anwendung.

Um den Stromverbrauch in diesen Bereichen zu senken, werden verschiedene fortschrittliche Technologien eingesetzt.

Ambiqs patentierte Subthreshold Power Optimization Technology (SPOT) ermöglicht es ihrem Apollo-MCU, bei einer Spannung von 0,5 V zu arbeiten, während andere Spitzen-MCUs 1,8 V benötigen. Das Kernprinzip der SPOT-Technologie besteht darin, die Betriebsspannung der CMOS-Schaltungen im Chip in den Subthreshold-Bereich (z. B. 0,3 V) zu senken. In diesem Spannungsbereich befindet sich das CMOS in einem Betriebszustand, in dem kein leitender Kanal entsteht, d. h. Vgs ≤ VT und die Oberflächenspannung ψs ≈ der Fermi-Spannung ψb. Es fließt immer noch ein kleiner Strom durch das Bauelement, der als Subthreshold-Strom bezeichnet wird. Obwohl dieser Strom klein ist, können die damit angetriebenen Logikgatter weiterhin logische Operationen ausführen, wenn auch langsamer. Gleichzeitig kann er immer noch gut durch die Gate-Spannung gesteuert werden. Ambiq nutzt diese Eigenschaften dieses Bereichs, um den Stromverbrauch erheblich zu reduzieren.

TSMCs Ultra-Niedrigleistungs-Technologie (ULP) bietet Ultra-Niedrigleckstrom-Bauelemente (ULL), Ultra-Niedrig-SRAM und Lösungen mit niedriger Betriebsspannung. Die ULP-Technologie umfasst die 40nm ULP (40ULP), die 22nm ULL (22ULL) und die FinFET-Technologie. Die ULP-Technologie konzentriert sich auf die Optimierung des dynamischen Stromverbrauchs durch Spannungsregelung und Prozessminiaturisierung (z. B. reduziert sich die Fläche bei 22ULP im Vergleich zu 28HPC um 10 %, die Leistung steigt um 30 % oder der Stromverbrauch sinkt um 30 %). Sie eignet sich für Anwendungen, die empfindlich auf das Verhältnis von Rechenleistung zu Energieeffizienz sind. Die ULL-Technologie legt den Schwerpunkt auf die Kontrolle des statischen Leckstroms, indem die Transistorstruktur optimiert wird, um den Standby-Stromverbrauch zu reduzieren und die Batterielebensdauer zu verlängern. Sie eignet sich für Geräte, die über lange Zeit im Standby-Modus oder intermittierend arbeiten.

NXP's Adaptive Dynamic Voltage Control System (ADVC) verfügt über eine Zwei-Domänen-Architektur, die Echtzeitverarbeitung und Ultra-Niedrigleistungs-Sensorfunktionen in einem einzigen Bauelement kombiniert. Diese Verarbeitungsarchitektur besteht aus einer Echtzeitdomäne mit einem Arm Cortex-M33-Kern und einer Ultra-Niedrigleistungs-Sensor-Domäne mit einem Arm Cortex-M0+. Der M33-Kern in der Echtzeitdomäne kann mit einer Frequenz von bis zu 96 MHz laufen und hat einen Stromverbrauch von 24 μA/MHz. Der Echtzeitkern nutzt SIMD-DSP-Befehle und eine Gleitkommaeinheit, um die Armv8-M Baseline ISA zu implementieren und kann die von der ULP-Domäne gewonnenen Daten schnell und effizient verarbeiten, um sie über drahtgebundene/drahtlose Netzwerke zu übertragen oder in einem Speichermechanismus zu speichern. Der M0+-Kern ist für den Dauerbetrieb konzipiert und nutzt eine Kombination aus niederleistungsfähigen analogen und digitalen Peripheriegeräten in der Dauerbetriebsdomäne, um Sensordaten zu sammeln. Beispielsweise verbraucht das ULP-Sensorsubsystem bei der Ausführung einer 100 kbit/s I2C-Aufgabe bei 2 MHz nur 14 μA. Es bietet sieben Niedrigleistungsbetriebsmodi und kann im tiefsten Schlafmodus einen Stromverbrauch im Sub-μA-Bereich erreichen.

Das niederländische Unternehmen Innatera hat den weltweit ersten kommerziell erhältlichen neuromorphen Mikrocontroller eingeführt, der die Latenz auf ein Hundertstel eines herkömmlichen Prozessors reduzieren und in KI-Anwendungen nur ein Fünfhundertstel des Stromverbrauchs verbrauchen kann. Neuromorphe Geräte imitieren in mehreren Aspekten die Arbeitsweise des Gehirns. Beispielsweise nutzen herkömmliche Mikrochips ein taktgesteuertes Signal, um die Schaltkreisaktionen zu koordinieren, während neuromorphe Architekturen oft über „Impulse“ arbeiten, d. h. sie geben erst dann eine Ausgabe, wenn innerhalb einer bestimmten Zeitspanne genügend Eingangssignale empfangen wurden. Aufgrund ihres Stromverbrauchs unterhalb des Milliwatt-Bereichs kann dieser Mikrocontroller eine kontinuierliche Sensordatenverarbeitung ermöglichen, selbst in Geräten mit stark eingeschränkter Stromversorgung. Beispielsweise kann er eine radarbasierte Anwesenheitserkennung mit nur 600 Mikrowatt oder eine Audioszenenklassifizierung mit 400 Mikrowatt realisieren. Im Vergleich dazu benötigen Systeme, die ähnliche Funktionen mit herkömmlichen Elektroniktechnologien realisieren, normalerweise 10 bis 100 Milliwatt.

02 Der Wettlauf um Ultra-Niedrigleistung ist heftig

Aktuell ist ein niedriger Stromverbrauch bei Ultra-Niedrigleistungs-MCUs nur der grundlegende Standard. Die großen MCU-Hersteller konkurrieren darum, bei niedrigem Stromverbrauch gleichzeitig eine hohe Leistung, eine kleine Baugröße und sogar die Kompatibilität mit KI-Funktionen zu erreichen.

Im Juni 2025 hat Renesas Electronics die RA2L2-Serie von Ultra-Niedrigleistungs-MCUs eingeführt. Das neue Produkt basiert auf einem Arm Cortex-M23-Kern, unterstützt die neue Spezifikation USB-C 2.4 und hat die Empfindlichkeit der Spannungserkennung optimiert. Es verfügt über einen integrierten Flash-Speicher von 64 KB bis 128 KB, 16 KB SRAM und 4 KB Daten-Flash sowie über eine Vielzahl von Peripheriegeräten, wie USB-C, CAN, I3C, SPI, niederleistungsfähiges UART und ADC. Es unterstützt einen Betriebsstromverbrauch von 87,5 μA/MHz und einen Soft-Standby-Strom von 250 nA. Renesas bietet ein vollständiges FSP-Software-Supportpaket für die Ökosystementwicklung, das die IP-Migration und das Design-Austausch erleichtert und die Effizienz der Projektentwicklung und die Systemintegration verbessert.

STMicroelectronics hat die Ultra-Niedrigleistungs-STM32 U3-Serie eingeführt, die auf einem Arm Cortex-M33-Kern mit einer Taktrate von 96 MHz basiert und eine Energieeffizienz von 117 Coremark/mW aufweist, was doppelt so viel wie das vorherige Produkt ist. Das Herzstück ist die Near-Threshold-Voltage-Technologie, die den dynamischen Stromverbrauch auf 10 μA/MHz und den statischen Stromverbrauch auf 1,6 μA senkt. Bei der Herstellung wird eine KI-gestützte adaptive Spannungsregelung zur Optimierung eingesetzt. Die Serie verfügt über einen maximalen Dual-Flash-Speicher von 1 MB und 256 KB SRAM. Im Bereich der Sicherheit wurde auf der Grundlage des STM32U5 ein neues Key-Store hinzugefügt, und erstmals wurde die Coupled Chain Bridge (CCB)-Technologie zur Sicherung der fabrikseitig vorkonfigurierten Schlüssel eingesetzt. Die Produktlinie bietet die Option, ob ein Hardware-Verschlüsselungsbeschleuniger vorhanden sein soll, und integriert neue Peripheriegeräte-Schnittstellen wie I3C und unterstützt eine industrielle Temperaturklasse von bis zu 105 °C.

Texas Instruments hat den MSPM0 C1104-MCU eingeführt, der auf einem Arm Cortex-M0+-Kern basiert und eine 65nm-Prozess-Technologie und eine Wafer-Chip-Scale-Package (WCSP) nutzt. Mit einer Größe von nur 1,38 mm² ist er etwa so groß wie ein Pfefferkorn und um 38 % kleiner als vergleichbare Produkte auf dem Markt. Er verfügt über 16 KB Speicher, einen 12-Bit-AD-SAR-Datenwandler mit drei Kanälen und sechs allgemeinen Ein-/Ausgangspins sowie über die Standard-Kommunikationsschnittstellen UART, SPI und I²C. Sein Betriebsstromverbrauch beträgt nur 87 μA/MHz, der Standby-Stromverbrauch sinkt auf 5 μA, und er unterstützt die SRAM-Datenerhaltung. Darüber hinaus hat der MCU eine integrierte Piezosirene-Funktion, die die Schaltung des Peripheriegeräts vereinfacht und die Hersteller von Geräten eine höhere Integration und niedrigere Entwicklungskosten bietet.

Es ist nicht nur die ausländischen Giganten, die heftig konkurrieren. Die chinesischen MCU-Hersteller geben auch nicht nach.

Im April 2025 hat Xiaohua Semiconductor die HC32L021-Serie eingeführt, die auf einem Arm Cortex-M0+-Kern mit einer Taktrate von 48 MHz basiert und über 64 KB Flash und 6 KB SRAM verfügt. Es ist mit einem hochgenauen internen RC48M-Takt ausgestattet. Es unterstützt eine Vielzahl von Schnittstellenressourcen (niederleistungsfähiges UART, SPI, I2C, 1 Msps-Sampling-ADC, vollständige Timer/RTC usw.) und kann in einem breiten Spannungsbereich von 1,8 bis 5,5 V und in einem breiten Temperaturbereich von -40 °C bis 105 °C stabil arbeiten. Der statische Stromverbrauch sinkt auf ein Minimum von 0,65 μA, der dynamische Stromverbrauch ist besser als bei gleichwertigen Produkten, was es für die Batterielebensdauer und den Markt für mobile Geräte attraktiv macht.

GD32L235-Serie von GigaDevice basiert auf einem Arm Cortex-M23-Kern mit einer maximalen Taktrate von 64 MHz. Sie nutzt eine Ultra-Niedrigleistungs-Prozess-Technologie, um den Stromverbrauch auf Hardwareebene zu senken. Sie unterstützt sechs Niedrigleistungsbetriebsmodi, darunter Deep-Sleep, Partial-Sleep und Standby. Im Deep-Sleep-Modus sinkt der Stromverbrauch auf 1,8 μA, und die Aufweckzeit beträgt weniger als 2 μs. Im Standby-Modus ist der Stromverbrauch sogar nur 0,26 μA. Selbst im Vollastbetrieb mit maximaler Taktrate beträgt der Stromverbrauch nur 66 μA/MHz, was ein hervorragendes Gleichgewicht zwischen Leistung und Stromverbrauch erreicht.

03 Niedriger Stromverbrauch, hohes Interesse

Die Business Research Company prognostiziert, dass der Markt für Ultra-Niedrigleistungs-Mikrocontroller in den nächsten Jahren weiterhin stark wachsen wird. Es wird geschätzt, dass der Marktvolumen bis 2029 auf 8,37 Milliarden US-Dollar steigen wird, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von 10,3 % entspricht.

Die Anwendungsbereiche von Ultra-Niedrigleistungs-MCUs sind sehr vielfältig und umfassen Automobil-Elektronik, Smart Home, medizinische Geräte, Wearables usw.

Im Automobilsektor können Ultra-Niedrigleistungs-MCUs in verschiedenen Komponenten eingesetzt werden, wie z. B. in Innenraummotoren, kapazitiven Touchscreens, Infotainment-Systemen, Lenksystemen und Scheinwerfern. Sie können die Kraftstoffeffizienz verbessern und die Batterielebensdauer verlängern. Darüber hinaus ist dieses flexible Bauelement darauf ausgelegt, den Leckstrom der Standardbatterie zu reduzieren und verfügt über eine hohe Sicherheit, geringes Rauschen, geringe Latenz und verschiedene Kommunikationsfunktionen, wodurch die Produktqualitätsstandards verbessert werden. Mit der zunehmenden Forschung und Entwicklung für die Unterstützung von intelligenten tragbaren batteriebetriebenen Geräten wird der Marktanteil von Ultra-Niedrigleistungs-Mikrocontrollern in den nächsten Jahren deutlich steigen.

Ultra-Niedrigleistungs-MCUs sind die Schlüsseltechnologie für die Energieeffizienz von Smart Home-Systemen. Sie spielen eine wichtige Rolle in drei Bereichen: Sensor-Knoten, intelligentes Licht und intelligente Sicherheitssysteme. In Sensor-Knoten sorgen Ultra-Niedrigleistungs-MCUs für einen langfristigen Betrieb und eine effektive Erfassung von Umgebungsdaten. Intelligente Beleuchtungssysteme nutzen ihre niedrigen Stromverbrauchseigenschaften, um die Energieeffizienz bei der Lichtsteuerung erheblich zu verbessern und intelligenten Funktionen wie Zeitsteuerung und Szenenverknüpfung zu unterstützen. Im Bereich der intelligenten Sicherheit werden Ultra-Niedrigleistungs-MCUs in Türkontakten, Rauchmeldern und anderen Geräten eingesetzt, um langfristig den Heimschutz zu gewährleisten.

Medizinische Elektronik-Endgeräte stellen hohe Anforderungen an den MCU, wobei der niedrige Stromverbrauch ein wichtiger Faktor ist.