Matter-Chip ist wirklich beliebt geworden.

In den letzten Jahren hat Matter rapide an Popularität gewonnen, und seine Version ist bereits auf 1.5 aktualisiert worden. Es hat die Anerkennung von Endgeräteherstellern erhalten. Große Unternehmen in der Ökosystembranche wie Amazon, Samsung und Apple setzen sich uneingeschränkt für Matter ein und pflegen es. Viele Ingenieure haben auch ihre Erwartungen kundgetan.

In China haben die verschiedenen Plattformen bereits ihre eigenen Ökosysteme aufgebaut, die derzeit hauptsächlich auf BLE mesh oder anderen proprietären Funkprotokollen basieren. Matter eignet sich möglicherweise nicht für alle chinesischen Hersteller. Doch für viele Hersteller, die auf den Auslandsmarkt abzielen, bleibt Matter ein unverzichtbarer Schlüsselstandard.

In letzter Zeit setzen immer mehr Hersteller verstärkt auf die Entwicklung von Matter-Chips. Wie sieht die aktuelle Entwicklung des Matter-Standards aus, und welche neuen Pläne haben die Chiphersteller?

Das Matter-Technologie verstehen

Matter kann als der Endgegner der chaotischen IoT-Zeit bezeichnet werden, denn von Anfang an war es seine Aufgabe, die "Fragmentierung" zu beseitigen.

Heutzutage verfügen immer mehr intelligente Produkte in unseren Häusern über Netzwerkfunktionen, von Netzwerkteilnehmern wie Mobiltelefonen und Tablets über kleine Geräte wie Lampen und Schalter bis hin zu großen Haushaltsgeräten wie Lautsprechern und Staubsaugerrobotern. Die gleichzeitige Existenz mehrerer Protokolle führt jedoch zu einer hohen Systemkomplexität. Hier setzt Matter an.

Matter bietet eine abstrakte Anwendungsschicht, die auf IP-Protokollen wie Wi-Fi, Ethernet und Thread aufbaut. Diese einheitliche Anwendungsschicht auf Basis von IP-Protokollen verbessert sowohl die Interoperabilität von Endgeräten als auch vereinfacht den Entwicklungsprozess für Lösungsprovider, indem sie die Entwicklung über verschiedene Verbindungsprotokolle und Technologien hinweg erleichtert.

Das Konzept von Matter wurde erstmals im Dezember 2019 vorgestellt und damals als CHIP (Connected Home Over IP) bezeichnet. Im Mai 2021 wurde es als neues Verbindungsstandard offiziell eingeführt. Im Oktober 2022 veröffentlichte Matter seine erste offizielle Version 1.0. Anschließend wurden die Versionen 1.1 und 1.2 im Mai und Oktober 2023 aktualisiert. Im Jahr 2024 wurde der Anwendungsbereich des Standards erweitert: Die im Mai veröffentlichte Matter 1.3 integrierte erstmals Funktionen im Bereich Energiemanagement. Die im November des gleichen Jahres veröffentlichte Version 1.4 stärkte die Unterstützung für die Heimnetzwerkarbeit, vertiefte die Anwendung von Lösungen für erneuerbare Energien und verbesserte die Leistung von Schlüsseltechnologien wie der menschlichen Präsenzdetektion.

Im November dieses Jahres hat die Connectivity Standards Alliance (CSA) offiziell Matter 1.5 veröffentlicht. Die bemerkenswerteste Neuerung des neuen Standards ist die native Unterstützung von intelligenten Kameras. Der neue Standard ermöglicht es Kamerageräten, direkt in das Matter-Ökosystem einzubinden, ohne auf herstellerspezifische API-Schnittstellen oder komplexe Integrationsentwicklung angewiesen zu sein. Darüber hinaus wurde die Unterstützung für verschiedene Schließvorrichtungen (Closures) und Bodensensoren hinzugefügt, und die Energiemanagementfähigkeiten wurden erheblich verbessert.

Der Grund für die hohe Beliebtheit von Matter in den letzten Jahren liegt in seinen fünf Stärken: Erstens bietet es eine hervorragende nahtlose Interoperabilität. Zweitens ist es einfach zu bedienen. Drittens verfügt es über eine hohe Sicherheit. Viertens beschleunigt es die Umsetzung von innovativen Ideen der Kunden. Fünftens genießt es eine breite Akzeptanz in der Ökosystembranche. Wenn die Kunden all diese fünf Vorteile nutzen können, eröffnen sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten:

Zunächst löst das Matter-Protokoll effektiv das Problem der Kompatibilität mehrerer Protokolle. Benutzer können neue und alte Geräte nahtlos integrieren, ohne ihre vorhandenen Geräte ersetzen zu müssen, was ihre bisherigen Investitionen schützt. Zweitens hat Matter die Unterstützung von internationalen Konzernen wie Apple, Google und Samsung erhalten. Obwohl die Verbreitung in China etwas langsamer voranschreitet, bietet die flexible Schnittstellendesign von Matter Zukunftsperspektiven für die Erweiterung des Ökosystems. Schließlich zeichnet sich Matter durch eine hohe Sicherheit aus. Die integrierte Sicherheitsarchitektur auf der untersten Ebene entlastet die Anwendungsschicht von Sicherheitsdesignaufgaben, sodass sich die Entwickler auf die Verbesserung der Benutzererfahrung konzentrieren können.

Obwohl die Technologie an sich hervorragend ist, muss die Chiptechnologie ebenfalls auf dem neuesten Stand sein, um eine starke Entwicklung zu ermöglichen. Derzeit gibt es zwei Konfigurationsmöglichkeiten für Geräte, die Matter unterstützen:

System-on-a-Chip (SoC): Ein Matter-SoC führt alle Matter-Protokollschichten auf einem einzigen Gerät aus. Dies eignet sich für Systeme, bei denen die Matter-Anwendung die Kernfunktion ist, wie beispielsweise Lampen, Sensoren oder intelligente Schlosser. Diese Produkte werden in großen Mengen hergestellt.

Co-Prozessor: Ein Matter-Co-Prozessor führt einige Matter-Protokollschichten aus und arbeitet in Kombination mit einem Hauptprozessor, um eine vollständige Matter-Lösung zu bilden. Es gibt zwei Arten von Co-Prozessoren: der Netzwerk-Co-Prozessor (NCP) und der Funk-Co-Prozessor (RCP).

ST: Der erste Matter-NFC-Chip der Branche

Im November dieses Jahres hat ST (STMicroelectronics) den ST25DA-C vorgestellt. Dies ist das erste sichere NFC-Gerät, das mit der NTL (NFC Transport Layer) Debugging kompatibel ist und dem neuesten Matter 1.5-Standard entspricht. Mit anderen Worten, es ist das erste Mal, dass Matter-Geräte NFC-Technologie nutzen können, um Knoten in das Netzwerk zu integrieren, anstelle des herkömmlichen Bluetooth Low Energy (BLE)-Verfahrens.

Warum hat ST einen solchen Chip entwickelt? Laut ST haben QR-Codes und BLE ihre Grenzen. Derzeit müssen viele Matter-Endgeräte einen QR-Code scannen und Informationen auf einem Mobilgerät eingeben. Anschließend muss das Smartphone oder Tablet über eine BLE-Verbindung mit dem Endknoten kommunizieren, um den Code zu verifizieren, die Zugangsdaten zu überprüfen, Zertifikate auf dem Endgerät zu installieren und schließlich die Verbindungsinformationen zu teilen, damit es sich mit dem Gateway verbinden kann. Dieser Prozess hat viele Probleme. Einerseits ist das Scannen eines QR-Codes umständlich. Andererseits kann die BLE-Konfiguration nicht durchgeführt werden, wenn die externe Stromversorgung fehlt.

NFC ist anders. Es ermöglicht eine "Einfach-Tipp-Konfiguration". ST, als Mitglied der CSA, hat diese Methode lange untersucht. Dank der NFC-Funktion können Endknoten sogar dynamische Passwörter verwenden, was die Sicherheit weiter erhöht. Vor Matter 1.5 konnte NFC nur zum Starten des Netzwerkeintritts verwendet werden. Dies bedeutet, dass bei der Konfiguration eines Geräts immer noch auf eine BLE-Verbindung zur Schlüsselaustausch und zum Beitritt zu einem Thread- oder Wi-Fi-Netzwerk angewiesen war. Mit der Veröffentlichung von Matter 1.5 hat NFC nun noch größere Potenziale.

Betrachtet man den Chip selbst, so ist der ST25DA-C sehr kompakt (2 mm x 3 mm Ultra-Dünn-DFN8-Package) und verfügt über eine starke Rechenleistung. Um den Platzbedarf zu minimieren, integriert dieses Type-4-NFC-Element einen 78-pF-Abstimmkondensator, der die Verwendung einer hochintegrierten Antenne ermöglicht. Gleichzeitig können Ingenieure sicherstellen, dass es mit den meisten Smartphones und anderen Mobilgeräten gut kompatibel ist. Daher eignet sich das gesamte Package für intelligente Geräte mit sehr begrenztem Platzangebot, wie beispielsweise Lampen und Rauchmeldern.

Sicherheit hat stets eine Stärke von ST-NFC-Chips sein. Dieser Chip hat auch die Common Criteria EAL6+-Zertifizierung erhalten, eine der höchsten Sicherheitsstufen für solche Produkte. Dies macht ihn zum sichersten und zuverlässigsten Co-Prozessor für die Haupt-MCU. Natürlich reichen die Ambitionen von ST weiter. Laut ST: "Wir werden den SESIP-Level-3-Zertifizierungsprozess starten und sind zuversichtlich, dass wir im nächsten Jahr die Zertifizierung erhalten werden. Obwohl der Matter-Standard diese Zertifizierung nicht zwingend erforderlich macht, haben wir uns entschieden, in diese Investition zu gehen, um unseren IoT-Partnern eine höhere Sicherheitsgarantie zu bieten."

Qorvo: Lösung der Kompatibilitätsprobleme von Matter

Percy Yu, ein erfahrener Marktmanager von Qorvo, hat EEWorld mitgeteilt, dass es für Entwickler schwierig sei, auf Matter umzusteigen, insbesondere für diejenigen, deren bestehende Produkte mehrere Standards unterstützen müssen. Dies führt zu Verzögerungen bei der Produktentwicklung und erhöhten Entwicklungskosten, um die Kompatibilität und Leistung in verschiedenen Ökosystemen sicherzustellen. Matter muss mehrere Funkstandards wie Zigbee, Thread und Bluetooth Low Energy unterstützen, was die Komplexität bei der Entwicklung und Herstellung erhöht, da Entwickler mehrere Kommunikationstechnologien integrieren müssen, während sie gleichzeitig eine hohe Leistung aufrechterhalten müssen. Wenn Geräte verschiedene Netzwerkprotokolle und Standards verarbeiten müssen, ist es schwierig, eine reibungslose und intuitive Benutzererfahrung zu gewährleisten. Verzögerungen, Verbindungsprobleme oder uneinheitliche Leistung können die Endbenutzer frustrieren und die Zufriedenheit und die Akzeptanz senken.

In bestehenden Heimautomationsökosystemen zeigt sich dies in den Herausforderungen der "Rückwärtskompatibilität" und "Vorwärtskompatibilität". Daher ist es schwierig, eine reibungslose Rückwärts- und Vorwärtskompatibilität zu gewährleisten. Qorvos Multiverbindungs-Technologie kann Matter dabei helfen, diese Kompatibilitätsprobleme zu lösen. Diese Technologie verfügt über mehrere technische Merkmale.

Zunächst bietet die Multi-Radio-Technologie von Qorvo die Möglichkeit, verschiedene Funkfrequenzen gleichzeitig zu nutzen. Der integrierte Funkteil in Qorvo-Chips ermöglicht es den Kunden, verschiedene Funkfrequenzen wie BLE, Zigbee und Matter hinzuzufügen, ohne Zeitverzögerungen oder Umschaltzeiten. Dies gewährleistet eine gleichzeitige Verbindung auf der physikalischen Ebene.

Zweitens unterstützt die Multi-Channel-Technologie von Qorvo bis zu drei 802.15.4-Datenkanäle parallel auf der Matter-Schicht oder Protokollschicht. Diese Funktion ermöglicht es verschiedenen Protokollen wie Zigbee und Matter, unabhängige Kanäle zu nutzen, wodurch Verbindungsprobleme oder Datenverluste durch die Konkurrenz um denselben Kanal vermieden werden.

Schließlich verfügt Qorvo über zwei Kerntechnologien bei der Antennensteuerung: Die Antennenklassifizierungstechnologie kann die Funkkapazität um 6 dB verbessern und somit die Signalqualität erheblich erhöhen. Darüber hinaus unterstützt es eine ausgezeichnete Koexistenz, insbesondere mit Wi-Fi. Dies umfasst eine Hardware-Steuerung und eine einfache API.

In der praktischen Anwendung zeigt sich der Vorteil von Qorvos Multiverbindungs-Technologie deutlich. Ein traditionelles System benötigt drei Chips, um die Funktion eines Mehrprotokoll-Routers zu realisieren. Mit einem einzigen Qorvo-Chip können nun die Funktionen von Zigbee, Matter und Bluetooth integriert werden. Bei Endgeräten wie Lampen und Schaltern unterstützt diese Technologie die parallele Nutzung von Zigbee und Matter, was eine echte Plug-and-Play-Erfahrung ermöglicht.

Qorvos QPG6200-Serie von Chips unterstützt derzeit mehrere Protokolle und Verbindungen. Diese Produkte zeichnen sich durch einen extrem niedrigen Energieverbrauch aus. Sowohl im Schlafmodus, während der Verbindung als auch beim Empfang von Funkdaten verfügen sie über einen branchenführenden Energieverbrauch. Bei Anwendungen mit Batteriebetrieb kann ein Chip mit niedrigerem Energieverbrauch die erforderliche Batteriekapazität reduzieren und somit Kosten sparen. Interessanterweise kann bei Anwendungen mit geringer Frequenz der Verbindung und Datenübertragung auch die Energiegewinnungstechnologie, wie beispielsweise Solarzellen, eingesetzt werden, um das Produkt mit Strom zu versorgen.

TI: Frühe Strategieplanung

Seit 10 Jahren ist TI Mitglied im Vorstand der CSA und hat an der Entwicklung von Matter mitgewirkt. Darüber hinaus ist TI ein Beitragsmitglied der Thread Group und Mitglied im Wi-Fi-Allianz und verfügt über mehr als 20 Jahre Erfahrung in der Verbindungsbranche. Seine Thread-Produkte, die Matter unterstützen, umfassen CC2674x10, CC2755x10 und CC2652x. Die TI Wi-Fi-Produkte, die Matter kompatibel sind, umfassen CC3301, CC3351, CC3501E und CC3551E.