Ultra low-power, ultra small e wireless

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I microcontrollori sono il paradigma computazionale hardware più impiegato nella progettazione dei sistemi embedded. In accordo con i sempre più stringenti requisiti applicativi dei sistemi embedded, la riduzione dei consumi di potenza elettrica e delle dimensioni sono per i principali produttori di microcontrollori il campo di sfida su cui si stanno misurando da diversi anni. Il panorama delle Mcu è estremamente vario e competitivo, caratterizzato da architetture consolidate nel tempo come quella PIC di Microchip e architetture pervasive come quelle Arm. La competizione da parte dei principali produttori di Mcu si svolge principalmente sul piano dell’integrazione e delle prestazioni di sistema, prima di tutto il consumo di potenza, poi il livello di integrazione, con l’obiettivo di avere la massima integrazione di sistema (periferiche, mixed-signal, analogica, ecc.) in pochi millimetri quadri. L’integrazione della funzionalità Rf nei microcontrollori è stata un’ulteriore strategia di innovazione delle Mcu tradizionali che ha coinvolto diversi produttori di Mcu negli ultimi anni, generando un positivo riscontro da parte degli sviluppatori, sempre più impegnati nella direzione della connettività wireless dei sistemi embedded di ultima generazione.


Microcontrollori ultra low-power

Sistemi indossabili, reti di sensori, e sistemi intelligenti connessi a IoT, pongono un chiaro requisito particolarmente stringente relativo all’efficienza energetica dei sistemi della prossima generazione: durata della batteria per almeno un anno, con l’obiettivo di una durata di oltre 20 anni. Microchip con la serie di Mcu XLP (eXtreme Low Power) tenta di soddisfare questo tipo di requisito estremo. I PIC con tecnologia XLP consentono di tenere la corrente di sleep a 9 NA e la corrente di running a 30 uA/MHz. I PIC sono Mcu ad architettura Risc (Reduced instruction set computer) ovvero solo 49 istruzioni per il PIC12LF1552 una Mcu a 8 bit estremamente compatta, e computazionalmente efficiente dotata di un ricco set di periferiche capaci di operare indipendentemente dalla Cpu. Le Mcu ultra low-power sono alla base delle applicazioni portatili e indossabili della prossima generazione, in quanto le applicazioni deeply embedded saranno basate su dispositivi Mcu ad elevate prestazioni computazionali, che implicano elevati consumi di potenza. Le Mcu ultra low-power sono caratterizzate da consumi di potenza infinitesimali e quindi possono essere alimentate da piccolissime batterie o sistemi di energy harvesting capaci di erogare pochi mW di potenza. Le strategie per ridurre a valori infinitesimali la potenza consumata dalle Mcu nelle loro attività di elaborazione e controllo dei processi, sono varie e innovative sotto vari aspetti. Silicon Labs, con l’introduzione della famiglia di Mcu Gecko ha messo in campo tutte le possibili strategie, non solo di natura tecnologica, ma anche basate sull’architettura e sul modello funzionale della Mcu. Una di queste strategie, chiamata Lesense, si è dimostrata non solo efficiente ma anche opportuna, considerando la destinazione applicativa più rilevante delle Mcu; gestire i sensori in maniera energy-efficient. Lesense implementa una modalità efficiente di gestione dei sensori che non coinvolge la Cpu. Questa è un’interfaccia a basso consumo (900 nA) in modalità deep sleep che implementa in hardware i meccanismi necessari a svegliare la Cpu quando determinate soglie programmate vengono superate. In questo modo, grazie all’assistenza dell’hardware la Cpu viene attivata solo quando necessario e per il tempo necessario, tenendo i consumi al minimo. La granularità della strategia di efficienza energetica nelle Mcu Gecko di Silicon Labs è molto elevata e coinvolge tutte le risorse hardware del sistema al fine di preservare al massimo l’efficienza energetica della Cpu (il wake-up avviene solo in occorrenza dell’evento). L’efficienza energetica in questa maniera diventa anche parte del ciclo di sviluppo, quindi poter monitorare i consumi energetici durante la fase di debug e sviluppo del codice è funzionale all’obiettivo dell’efficienza energetica del sistema. Ciò è quanto offre Silicon Labs nel suo innovativo ambiente di sviluppo Simplicity Studio il quale include un Energy Profiler che consente di accumulare dati statistici relativi al consumo energetico e di elaborare un Energy Score direttamente correlato alla vita della batteria e ai cicli operativi del software. La Mcu Apollo di Ambiq Micro è uno degli esempi più estremi di ultra low-power microcontroller ad elevata integrazione basato su core Arm Cortex M4F, che consente di eseguire il processing complesso dei segnali catturati dai sensori, con una durata della batteria dell’ordine dei mesi, ma anche di anni. Ciò grazie alla tecnologia Spot (Subthreshold power optimized) brevettata dalla stessa Ambiq Micro (34 uA/MHz eseguendo il codice da Flash alimentata a 3,3 V, 143 nA in deep sleep mode, a 3,3 V e 198 nA in deep sleep mode con Xtal Assisted Rtc a 3,3 V). La potenza computazionale, malgrado i ridottissimi consumi, è considerevole, pur essendo Apollo basata su un potente core come Arm Cortex M4F, floating-point. Considerevole la capacità della memoria a bassissimo consumo (512 Kbyte di flash e 64 kbyte di Ram). Al bassissimo consumo Apollo affianca anche le ridotte dimensioni (2,49 x 2,90 mm). Anche STMicroelectronics punta all’ultra low-power nell’offerta Mcu dall’8 bit STM8L (un 8 bit a core proprietario) fino al 32 bit come l’STM32L4 (core Arm Cortex-M4), l’STM32L0 (Arm Cortex M0+) e l’STM32L1 (Arm Cortex-M3). I consumi sono emblematici, 170 nA in modalità a più basso consumo con mantenimento del contenuto della Ram ed efficienza operativa come i 3,5 µs di wakeup dalla modalità di stop. L’STM32L4, oltre ad essere ultra low-power, è anche computazionalmente molto potente, essendo capace di 100 Dmips utilizzando anche istruzioni Dsp floating-point.

Microcontrollori ultra small

Le ridottissime dimensioni in formato finale incapsulato rappresentano un’altra delle sfide che coinvolgono i produttori di Mcu e che interessano gli sviluppatori. Il primo produttore di Mcu ultra small che si è impegnato in questa sfida è stato Freescale, oggi Nxp Semiconductor, con la realizzazione in formato Csp (Chip scale package) della Mcu KL02 di solo 2 x 1,9 mm, un vero e proprio record nelle dimensioni di una Mcu ad elevato grado di integrazione e complessità. Record battuto l’anno successivo dalla con l’annuncio della Mcu KL03, ulteriormente ridotta nelle dimensioni: solo 2 x 1,6 mm. Questa Mcu della serie Kinetis di Mcu basate su core Arm Cortex M0+a 48 MHz, consente di ridurre del 35% la superficie di Pcb e grazie ai ridottissimi consumi di potenza di implementare applicazioni indossabili e inglobabili.

Microcontrollori wireless

Per la connettività wireless dei sistemi embedded la sfida tecnologica si sta sviluppando su due piani, quello dell’integrazione nelle Mcu del sottosistema per la connettività Rf, e quello dei sottosistemi Rf ultra-low power e altissima integrazione come quelli di Microsemi. Le Rf-Mcu rappresentano, nel contesto dell’offerta di Mcu, il fronte più avanzato della tecnologia delle Mcu. L’innovazione delle Rf-Mcu a 32 bit fu introdotta alcuni anni fa da Jennic con l’integrazione on-chip del sottosistema transceiver Rf a 2,4 GHz. Texas Instruments, già con la Mcu TMS430, ha cercato di integrare la funzionalità Rf, e attualmente offre la funzionalità wireless nell’ambito della famiglia di microcontrollori Simple Link, in cui concorrono vari core Mcu integrati con la funzionalità wireless, tra cui anche l’MSP430, che consente di affrontare le applicazioni emergenti IoT secondo i canoni dello sviluppo dei sistemi embedded. L’MSP430FRxx per esempio è una famiglia di Mcu con core MSP430 a 16 bit ultra low power. Oltre alla funzionalità wireless integra la tecnologia di memorizzazione Fram. Altri produttori di Mcu si sono impegnati sull’integrazione della funzionalità wireless nelle Cpu con strategie di natura SoC. STMicroelectronics, per esempio, ha integrato nelle sue Mcu STM32W la funzionalità wireless basata sul wireless a 2,4 GHz Ieee 802.15.4 utilizzando il core Arm Cortex M, un’architettura a basso consumo, e un ricco set di periferiche.

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