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Technologien für energieautarke Anwendungen

Das Internet of Things (IoT) wird oft als die Zukunftshoffnung für neue industrielle Wertschöpfung und Innovation dargestellt. Aus den USA kommen zahlreiche Anwendungen für Konsumenten, aber es gibt viele Geschäftsmodelle, die sich mit heutiger kommerzieller Hardware nicht oder nur unbefriedigend realisieren lassen. Dies trifft speziell für energieautarke IoT-Produkte zu. Das CSEM bietet hier Hand.

 

Das CSEM, www.csem.ch, mit Hauptsitz in Neuchâtel, ist ein privates Schweizer Technologieunternehmen mit Aktivitäten in angewandter Forschung in Mikro- und Nanotechnologie sowie in der Technologieberatung und Transfer in die Industrie. Im ULP-Forschungsprogramm (Ultra Low Power), wird seit vielen Jahren Know-how im Gebiet der energiearmen oder sogar energieautarken Elektronik aufgebaut und gesichert, welche schon in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts für die weltweit ersten miniaturisierten Quarzuhrsteuerungen benötigt wurde. Seither ist die Palette an elektronischen Komponenten und Schaltungen stetig gewachsen.

Hardware bis an physikalische Leistungsgrenze ausreizen

Heute bietet das CSEM eine Vielzahl anwendungsspezifisch optimierter und kommerziell verfügbarer ICs für die Systemintegration. Die Dynamik, die durch die voranschreitende flächendeckende Vernetzung von elektronischen Komponenten im Rahmen des IoT in Zukunft erzeugt wird, erschliesst zahlreiche neue Anwendungsgebiete und Businessmodelle. Die verwendete Hardware muss teilweise bis an die physikalischen Leistungsgrenzen ausgereizt werden, um erfolgreich zu funktionieren. Hardware als limitierender Faktor des IoT-Ökosystems wird oft unterschätzt, weil die diversen, teils sich widersprechenden Designaspekte für erfolgreiche Integration und autarke Vernetzung ein anspruchsvolles Puzzle darstellen.

Wenn ausnahmsweise nicht die maximale Bandbreite für drahtlose Kommunikation das Ziel ist sondern die Minimierung des Energieverbrauchs, muss eine umfangreiche Auswahl an Designtools zur Verfügung stehen, die man sorgfältig ausgewogen einsetzen muss, unter Berücksichtigung aller kundenspezifischen Anforderungen. Im Rahmen der Technologieberatung für anspruchsvolle Kunden, die den Energieverbrauch ihrer Systemlösungen minimieren wollen, stehen eine Vielzahl von Designbibliotheken für Schaltungsblöcke zur Verfügung. Diese lassen sich gemeinsam mit optimierten Schnittstellen für Sensoren und Speicher sowie Mikroprozessoren zu einem anwendungsoptimierten System mit geringstem Energiebedarf integrieren. Die dadurch erreichte wartungsfreie Betriebsdauer lässt sich oft nicht in offensichtlicher Weise aus etablierten Elektronikdesignverfahren ableiten. Im folgenden Beitrag werden die technischen Aspekte des Sub-Threshold-Designs genauer betrachtet, ein wichtiges Puzzleteil aus der grossen Low-Power-Designbibliothek.

Sub-Threshold-CMOS-Chipdesign für minimalen Energieverbrauch

Viele industrielle Steuerungen und Unterhaltungselektronikplattformen wie PC und Smartphone sind komplett auf weltweit standardisierter High-Speed-CMOS-Elektronik in VLSI-Architektur mit Taktfrequenzen bis einige GHz aufgebaut. Sofern die elektrische Versorgung der Schaltung nicht kritisch ist, können die bei typischen Speisespannungen von 1,5 bis 3,5 V auftretenden Leckströme und Verlustleistungen problemlos durch die vorhandene Speisung oder leistungsstarke Batterien absorbiert werden – ohne die Systemleistung zu beeinträchtigen. Viele Konsumenten haben sich daran gewöhnt, dass sie ihr Smartphone mindestens einmal täglich an der Steckdose aufladen müssen, obwohl die Li-Ionen-Batterie eine enorme Speicherkapazität aufweist.

Innovative Chipdesignkonzepte für optimale Leistung

Es versteht sich von selbst, dass eine umfassende Vernetzung von Sensoren aller Art, auch wenn diese nicht mit leistungsstarken Speisungen verknüpft sind, nicht problemlos durch Systemintegration von solchen Komponenten aus der PC- und Smartphonewelt realisiert werden kann. Auch wenn plötzlich die elektrische Speisung ein äusserst kritisches Element des gesamten Systems wird, welche mit den Eigenschaften der Schaltung komplex verknüpft ist. Das CSEM setzt alles daran, diese «Last Frontier» im Elektronikdesign durch bestmögliche Chipdesignkonzepte mit optimaler Leistung zu überwinden. Ziel sind innovative IoT-Anwendungen, die heute nicht oder nur sehr unbefriedigend realisierbar sind. Die meisten offensichtlichen Ansätze zur Reduktion des Energieverbrauchs einer elektronischen Schaltung stützen sich auf die gezielte Reduktion der Speisespannung ab. Es stellt sich jedoch heraus, dass eine reduzierte Spannung komplexe Zielkonflikte im Systemdesign provoziert, die nicht nur aus unterschiedlicher Abhängigkeit der statischen und dynamischen Eigenschaften von der Spannung herrühren.

So zeigt eine detailliertere Analyse, dass für alle Anwendungen nicht eine minimale Speisespannung der richtige Ansatz ist, sondern ein genau zu definierendes Optimum, bei dem sich Leckströme und Energieverbrauch gegenseitig minimieren. CMOS-Transistoren werden in der Regel deutlich oberhalb der sogenannten Schwellspannung betrieben, so dass die Gate-Region eine hohe Ladungsträgerkonzentration aufweist. Bei zu kleinen Speisespannungen sinken die Gate-Spannungen unterhalb dieser Schwelle (Sub-Threshold mode) – es beginnen die Leckströme gegenüber den Schaltungsströmen zu dominieren und ein stabiler Schaltungsbetrieb wird durch höheren Energieverbrauch erkauft.

Wie viel Datenauswertung soll direkt auf dem Messknoten erfolgen?

Die Komplexität der Systemanforderung wird insbesondere in autarken Sensornetzwerken zusätzlich erhöht, weil die Kombination von Sensormesstechnik, lokaler Datenauswertung und drahtloser Kommunikation mit der Umgebung in einem Sensornetzwerk extrem widersprüchliche Designanforderungen stellt. So stellt sich bei höheren Datenmengen pro Messung die Frage, wie viel Datenauswertung direkt auf dem Messknoten (local pre-processing) mit entsprechendem Energiebedarf für den Mikroprozessor erledigt werden soll und welche (Meta-)Daten über das drahtlose Netzwerk zur Auswertung auf einem Server weitergeleitet werden, was den Energieverbrauch der Datenübertragung wieder erhöht.

Intelligenz des Sensorknotens muss man nicht in die Cloud verlagern

Es ist demnach ganz und gar nicht zwingend, die Intelligenz jedes Sensorknotens via ein GSM Gateway in die Cloud zu verlagern, wie das vor allem von diversen US-Anbietern als einzig akzeptierte Lösung propagiert wird. Wir sind überzeugt davon, dass sämtliche innovative Anwendungen, welche auf Datenaustausch in komplexen wartungsunabhängigen – z. B. batterielosen oder mit Energy-Harvesting betriebenen – Sensornetzwerken setzen, in allen Designaspekten konsequent auf minimalsten Systemenergieverbrauch getrimmt werden müssen. Das bedeutet, dass es nicht genügt, bloss verbrauchsarme Hardware (RF-Chipsets, Prozessoren, Speicher) zu verwenden, auch effizient integrierte Sensorschnittstellen, integriertes Powermanagement zur Minimierung des Systemenergieverbrauchs sowie optimierte Applika­tionsalgorithmen und Protokolle der drahtlosen Datenübertragung sind zwingend, wenn die Anwendung alle Anforderungen erfüllen und gleichzeitig den gesamten Energiebedarf minimieren soll.

Standard für Energieoptimierung wird auf sich warten lassen

Das CSEM beherrscht alle Puzzleteile des Systemdesigns für minimalen Energieverbrauch und kann deshalb kundenspezifisch die beste Lösung für eine konkrete Kundenapplikation anbieten. Aufgrund der zahlreichen Widersprüche im energieoptimierten Design wird sich in diesen Anwendungen auf Jahre hinaus kein breit abgestützter Standard durchsetzen können, die Anwendungen stellen einfach zu unterschiedliche Anforderungen in Bezug auf Datenmenge, Datenrate, Latenzzeit, Anbindung an Cloud, Verfügbarkeit von autonomer Energieversorgung, Bandbreite des Internetzugangs usw.

Bedeutung der Hardware im Internet of Things

Die Komplexität möglicher neuer Anwendungen und Geschäftsmodelle, die auf dem IoT oder vernetzten Wertschöpfungsketten beruht, ist immens, somit ist die Analyse der speziellen Rolle der Hardware nicht immer offensichtlich, teilweise sogar überflüssig. Eine etwas saloppe Phrase um die Problematik auf den Punkt bringen zu könnte lautet: «Internet of Things without Things is only the Internet, and that is nothing new…». Was bedeutet dies konkret? Die Vernetzung von «Things» im weitesten Sinne betrifft alle Komponenten oder Produkte entlang der Wertschöpfungskette von Design über Herstellung, Logistik bis zum Endkunden. Selbstverständlich sind heute schon zahlreiche Produkte mit Schnittstellen zur drahtlosen Kommunikation ausgerüstet, was die Einbindung in ein Netzwerk zur reinen Applikationssoftwareentwicklung macht.

Dennoch gibt es viele denkbare IoT-Anwendungen, die nur durch konsequente Energieminimierung des gesamten Sensormess- und -analysenetzwerks und kompromisslose Abstützung auf Energy Harvesting überhaupt realisierbar sind. Das CSEM wird sich auf diese Anwendungsnischen konzentrieren und die ganze Palette an Ultra-Low-Power-Systemdesigntools einsetzen, um die Grenzen des Machbaren weiter hinauszuschieben, zusammen mit den Kunden.

Zielkonflikte im Systemdesign in Sub-Threshold-Architektur

Viele Sensoren, die heute für private Anwendungen in Produkte eingebaut werden sind günstig geworden, weil sie von den riesigen Stückzahlen profitieren, die weltweit für die Smartphoneherstellung benötigt werden. Systemintegratoren verwenden oft identische Hardware, wie sie für die drahtlose Kommunikation in Smartphones eingesetzt wird, diese sind aber meist für hohe Datenraten spezifiziert und deshalb oft recht energieintensiv. Bei Anwendungen wie Sensorüberwachung kann die Datenmenge jedoch um mehrere Grössenordnungen tiefer als bei der 4G-Kommunikation liegen. Es stellt sich die Frage, ob die Erwartungen der Anwender überhaupt erfüllt werden können. Deshalb stossen wir auf Zielkonflikte beim Design der Gesamtlösung in Sub-Threshold-Architektur, speziell, wenn die Frequenz hoch bleiben muss:

  • Enge Toleranz der Sub-Threshold Spannung führt zu Variabilität der Transistoreigenschaften auf einem Wafer, d.h. chipspezifische Parameteranpassung wird notwendig
  • Bei zu tiefer Sub-Threshold-Spannung steigt der Energieverbrauch pro Operation wieder an

Hohe Performance widerspricht minimalem Energieverbrauch

Diese Liste könnte beliebig weiter verfeinert werden, was aber nicht wegdiskutiert werden kann ist diese Erkenntnis: Wenn ein elektronisches System auf minimalen Energieverbrauch anstelle von maximaler Performance oder drahtloser Bandbreite optimiert wird, ergeben sich sehr komplexe und gegenseitig widersprechende Designanforderungen. Diese lassen sich wohl nie standardisieren und sie müssen noch während längerer Zeit anwendungsspezifisch für die komplette Applikation optimiert werden. Es braucht für diese anspruchsvollen und spannenden Aufgabenstellungen umfangreiche Designerfahrung und viel technisches Know-how. 

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