Die Richtung der Einbettungstechnikbranche hat sich verändert.

Wenn man von der Konkurrenz im Einbettungssystemsektor spricht, wissen sicherlich alle Ingenieure, was das heißt. Im zweiten Halbjahr dieses Jahres treiben die Hersteller weiterhin ihren Wettlauf und aktualisieren ihre Produkte rasant.

Im Folgenden nimmt EEWorld einen Überblick über die technologischen Trends im Einbettungssystemsektor dieses Jahres.

RISC-V MCU, rasant aufsteigend

HiSilicon von Huawei hat kürzlich zwei RISC-V-Chips, den Hi3066M und den Hi3065P, vorgestellt. Der Hi3066M ist ein eingebetteter AI-MCU, der auf die Anforderungen der intelligenten Endgeräte in der Haushaltsgerätebranche zugeschnitten ist. Er verwendet HiSilicons eigenes RISC-V-Kernmodul, ist mit einem integrierten eAI-Engine ausgestattet und unterstützt eine Taktrate von 200 MHz, 64 KB SRAM und 512 KB eingebetteten Flash-Speicher. Der Hi3065P ist ein Hochleistungs-MCU mit großem Speicher für Echtzeitsteuerungen, der für die Bereiche Haushaltsgeräte und Industrie entwickelt wurde. Er verwendet ebenfalls HiSilicons eigenes RISC-V-Kernmodul, unterstützt eine Taktrate von 200 MHz, 64 KB SRAM und bis zu 512 KB eingebetteten Flash-Speicher und ermöglicht es den Kunden, die Funktionen ihrer Produkte kontinuierlich zu verbessern und die Algorithmen zu aktualisieren.

Daraus lässt sich schließen, dass RISC-V zum nächsten strategischen Pfeiler von HiSilicon geworden ist, und das "Reserve-Plan" ist möglicherweise bereits in Gang gesetzt. Kürzlich hat HiSilicon auch eine Reihe eigens entwickelter Chips, darunter Cat 1 und ADC, vorgestellt.

WCH, ein alter Spieler im RISC-V-Bereich, wird von Ingenieuren immer wieder beobachtet. Da es viele Entwickler gibt, können Probleme schnell gelöst werden. Gleichzeitig hat das Full-Stack-Entwicklungsmodell "Qingke RISC-V + Schnittstellen-PHY" eine inhärente Stärke bei der Umsetzung von RISC-V-Anwendungen.

Zurzeit ist der Dual-Core-RISC-V-MCU CH32H417 von WCH das Hauptprodukt. Der CH32H417 ist ein universeller Mikrocontroller für Vernetzung, der auf den Dual-Kernen Qingke RISC-V5F und RISC-V3F basiert. Er integriert einen USB 3.2 Gen1-Controller und -Transceiver, einen 100-MBit-Ethernet-MAC und -PHY, einen SerDes-Hochgeschwindigkeitsisolations-Transceiver sowie einen Type-C/PD-Controller und -PHY.

Die RISC-V-MCUs von HPM haben in China ein ausgezeichnetes Ansehen. Das aktuelle Hauptprodukt dieser Firma ist der Hochleistungs-MCU HPM6P00. Das Flaggschiffprodukt dieser Serie, der HPM6P81, ist mit einem RISC-V-Dual-Core ausgestattet und erreicht eine beeindruckende Taktrate von 600 MHz. Er unterstützt bis zu 32 Kanäle für hochauflösende PWM-Ausgaben, verfügt über 4 unabhängige 16-Bit-ADC (bis zu 32 analoge Eingangskanäle) und 8 Hochgeschwindigkeitsanalogkomparatoren und integriert hochpräzise Bewegungskontrollmodule wie Σ∆-Digitalfilter und Hardware-Stromkreise, um den strengen Anforderungen an Steuerungsanwendungen gerecht zu werden.

Die Einbindung von RISC-V-MCUs in Kraftfahrzeuge ist ebenfalls ein aktuelles Thema. Kürzlich hat Infineon angekündigt, die Automobilindustrie bei der Einführung von RISC-V zu führen und in den nächsten Jahren eine neue Serie von Automobilmikrocontrollern auf Basis dieser Architektur vorzustellen. Diese Serie wird in die etablierte Automobilmikrocontroller-Marke AURIX aufgenommen werden, um das bestehende Produktportfolio auf Basis von TriCore (AURIX TC-Serie) und Arm (TRAVEO-Serie, PSOC-Serie) zu erweitern. Sie wird eine breite Palette von Automobilanwendungen von Einstiegs- bis Hochleistungssegment abdecken, die über die derzeit auf dem Markt verfügbaren Produkte hinausgeht. Darüber hinaus ist Infineon als wichtiger Treiber der RISC-V-Standardisierung aktiv an der Entwicklung der Anwendungen und des Ökosystems von RISC-V im Automobilbereich beteiligt.

EEWorld hat erfahren, dass ST derzeit ebenfalls die Chancen von RISC-V in MCUs beobachtet und bei Vorhandensein entsprechender Pläne die Informationen an die Märkte weitergeben wird. Darüber hinaus prüft ST auch die Möglichkeit der Herstellung von Automobil-MCUs in China. Die Produktion auf 40-nm-Technologie ist in China technisch durchaus machbar, und ST schließt diese Möglichkeit nicht aus.

Automobil-MCU, beginnt eine Speicherrevolution

Für Automobil-MCUs ist der eNVM von entscheidender Bedeutung, da er für die Speicherung von kritischen Codes und wichtigen Konfigurationsdaten des Fahrzeugs verwendet wird. Allerdings hat der eFlash auch deutliche Einschränkungen. Beispielsweise ist die Anzahl der möglichen Schreibzyklen sehr begrenzt. Mit jedem Schreib- und Löschzyklus verschlechtert sich die Tunneloxidschicht in den Floating-Gate-NOR-Zellen, und der Leckstrom nimmt zu, was den Alterungsprozess des eFlash beschleunigt.

Noch wichtiger ist, dass der eFlash die Weiterentwicklung der MCU-Prozessierung im Wesentlichen blockiert. Aufgrund der speziellen Transistorstruktur des eFlash erfordert die Herstellung von eFlash unter 28 nm eine zu große Anzahl von Maskenebenen, was die Miniaturisierung sehr schwierig macht. Darüber hinaus wird die Zuverlässigkeit des eFlash über 40 nm durch die Speicherzellen, die peripheren Transistoren und die Metallverbindungen begrenzt. Mit der Abnahme der Oxidschichtdicke zwischen den Transistoren und den Metallverbindungen sinkt die Lebensdauer der Transienten Dielektrikumsdurchschläge (TDDB) erheblich.

Um diesen Herausforderungen zu begegnen, setzen Automobil-MCUs nun auf die nächste Generation von eNVM-Technologien. Hierbei gibt es drei Ansätze: Phase-Change-Memory (PCM), Resistive Random-Access Memory (RRAM) und Magnetoresistive Random-Access Memory (MRAM).

PCM (Phase-Change-Memory): ST hat kürzlich die Stellar-Serie von Automobil-MCUs mit integriertem xMemory vorgestellt. Das PCM basiert auf der 28-nm- und 18-nm-FD-SOI (Fully Depleted Silicon-on-Insulator)-Technologie und bietet eine Speicherdichte, die mehr als doppelt so hoch ist wie die der Konkurrenz.

Der leitende Direktor der Automobil-MCU-Abteilung von ST und Mitglied des strategischen Büros der Abteilung hat EEWorld erklärt, dass das PCM fünf Vorteile hat: 1. Das PCM bietet die kleinsten Speicherzellen in seiner Klasse und ermöglicht es, auf möglichst kleiner Fläche mehr als doppelt so viel Informationen zu speichern wie bisher. 2. Das PCM kann die Gesamt-Speicherkapazität verdoppeln, ohne die Kosten zu erhöhen. 3. Es hat eine starke Hitze- und Strahlungsbeständigkeit und kann sogar bei einer Kerntemperatur von 165 °C stabil funktionieren. 4. Es verbraucht auch unter schwierigen Betriebsbedingungen wenig Strom. 5. Das PCM ist keine neue Technologie, und ihre Reife hat sich seit zwanzig Jahren stark verbessert. ST hat das PCM bereits seit Jahren erforscht, daher ist es sehr sicher und zuverlässig.

MRAM (Magnetoresistive Random-Access Memory): NXP hat kürzlich den weltweit ersten 16-nm-FinFET+MRAM-MCU S32K5 vorgestellt. Als Regionalcontroller kann er sowohl alle Echtzeitsteuerfunktionen integrieren als auch als Regionalaggregator oder Gateway fungieren.

Manuel Alves, leitender Vizepräsident und Geschäftsführer der Automobilmikrocontrollerabteilung von NXP Semiconductors, hat EEWorld mitgeteilt, dass das MRAM einzigartige Vorteile hat. Erstens ist die Schreib- und Programmiergeschwindigkeit extrem hoch, zehnmal schneller als bei Flash-Speichern, und es kann schnell laufen. Zweitens ist es sehr langlebig und kann bis zu eine Million Schreibzyklen überstehen. Es eignet sich nicht nur für die Speicherung von Codes, sondern auch für die Datenspeicherung und bietet eine hohe Flexibilität, was die Datensammlung und die Speicherung über verschiedene Regionen hinweg erleichtert.

RRAM (Resistive Random-Access Memory): Infineon hat im vergangenen Jahr die AURIX TC4x-Serie von MCUs auf Basis der 28-nm-Technologie von TSMC vorgestellt und RRAM eingeführt. Sie nutzt die neue TriCore 1.8-Architektur, hat eine Taktrate von 500 MHz und ist mit einer PPU-Parallelverarbeitungseinheit ausgestattet.

Infineon ist der Meinung, dass im Vergleich zum NOR-Flash der RRAM-Treiber einfacher ist, da er vor dem Überschreiben des Speichers keine Löschbefehle benötigt und auch das Schreiben auf Byte-Ebene unterstützt, was die Treiberentwicklung stark vereinfacht. Weniger Befehle und Speicheroperationen tragen auch zu den inhärenten Vorteilen von RRAM in Bezug auf Leistung, Energieeffizienz und Langlebigkeit bei. Im Vergleich zum EEPROM hat der RRAM eine schnellere Schreibgeschwindigkeit und eine höhere Dichte, was ihn für Anwendungen geeignet macht, bei denen Daten häufig aktualisiert werden müssen, wie z. B. bei der Datenerfassung. Im Vergleich zum MRAM ist der RRAM energieeffizienter und bietet ein ausgewogenes Verhältnis von Leistung, Energieverbrauch und Kosten.

AI-MCU, in der harten Konkurrenz

Mit der Entwicklung von großen AI-Modellen bringen fast alle Hersteller MCU-Produkte mit NPU auf den Markt und erhöhen gleichzeitig ihre Investitionen in Software und Modelle.

Der STM32 ist eines der Produkte, die fast jeder Ingenieur kennt. ST (STMicroelectronics) erhöht zurzeit seine Investitionen in die Hardwarebeschleunigung für Edge-AI, die Optimierung des Softwarestapels, Sicherheitsfunktionen und die Trends von Edge bis Cloud.

Im Bereich der Hardware ist der STM32N6 das Hauptprodukt. Bei der NPU wird der eigenentwickelte Neural-ART-Akku verwendet, der eine Frequenz von 1 GHz erreicht und eine Rechenleistung von 600 GOPS hat. Die durchschnittliche Leistung beträgt 3 TOPS/W. Bei der CPU bringt der Arm Cortex-M55@800 MHz die Arm Helium-Vektorverarbeitungstechnologie ein, die der Standard-CPU digitale Signalverarbeitung (DSP) ermöglicht. Darüber hinaus hat ST EEWorld mitgeteilt, dass es die NPU-Funktionen in den Produkten Stellar P und G weiter integrieren und später detaillierte Pläne veröffentlichen will.

Im Bereich der Software bietet ST Edge AI-Core, Edge AI Developer Cloud, STM32Cube.AI, NanoEdge AI Studio, AI for OpenSTLinux, StellarStudioAI, AIoT Craft, MEMS Studio, MLC/ISPU-Modellbibliothek usw.

Infineon hat 2024 die Spitze der globalen MCU-Liste erreicht und verfolgt in Bezug auf AI eine Strategie für Hardware und Software. Im Bereich der Hardware ist die neue PSOC Edge E8x-MCU-Serie von Infineon das erste Produkt, das die höchsten Zertifizierungsanforderungen des eingebetteten Sicherheitsrahmens PSA4 erfüllt. Alle PSOC™ Edge E8x-Mikrocontroller verfügen über eine Hardware-isolierte Enklave mit Funktionen für sicheren Start, Schlüsselspeicherung und Verschlüsselungsoperationen. Die PSOC Edge E83 und E84 sind mit einem Arm Ethos-U55-NPU-Prozessor ausgestattet, während der E81 die Arm Helium-DSP-Technologie und den NNLite-Neuralnetzwerk-Akku von Infineon verwendet.

Im Bereich der Software hat Infineon 2023 Imagimob übernommen und 2024 die Marke DEEPCRAFT™ für Edge-AI-Softwarelösungen eingeführt. Sie ermöglicht die vollständige Abwicklung des Prozesses von der Datenerfassung und -vorverarbeitung über das Modelltraining und die Optimierung bis hin zur Implementierung in einem einzigen Tool, dem ModusToolbox. Infineon bietet eine Vielzahl von sofort einsetzbaren Modellen, darunter Modelle zur Detektion der Schallquelle, zur Oberflächenprüfung, zur Werkseinrichtungsüberwachung, zur Gestenerkennung und zur Sturzdetektion.