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Trendanalyse

Perspektiven für Embedded-Mikrocontroller

| Autor/ Redakteur: Michael Loch* / Holger Heller

Nach dem Einbruch des Speichergeschäfts konzentrieren sich die führenden Halbleiterhersteller seit einigen Jahren auf das Geschäft mit den System LSIs. Darunter zählen (Mixed-Signal-)ASICs, Mikrocontroller, Prozessoren und DSPs. Vor allem die Mikrocontroller sind im Fokus, da heute kaum eine Anwendung mehr ohne diese Steuerknechte auskommt. Allein Renesas fertigt mit einem Weltmarktanteil von 23% etwa 100 Mio. MCUs pro Monat. Die Trends sind eindeutig: mehr Speicherintegration, höhere CPU-Leistung und stärkere Vernetzung.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Ob in Haushaltsgeräten wie Waschmaschinen, Spülmaschinen, Trocknern, Kaffeeautomaten, elektronischen Waagen, Uhren, oder in der Vielzahl der digitalen Consumer-Anwendungen, im Automobil, in Telekom- oder Industrieanwendungen – überall kommen Mikrocontroller zum Einsatz. Die große Bandbreite dieser Anwendungen mit ihren unterschiedlichen Anforderungen hat zur Entwicklung von skalierbaren 8-, 16- und 32-Bit-Controllerfamilien geführt, die heute mit Embedded-Flash-Implementierungen bis zu 2 MByte on-chip und bis zu 80 MHz Single Cycle Random Access verfügbar sind. Die Kombination von CPU-Leistung, Peripheriefunktionen, und hier insbesondere Schnittstellen zur Vernetzung, sowie die Integration von großem On-chip-Speicher ermöglicht mittlerweile die Single-Chip-Realisierung von komplexen Anwendungen die in der Vergangenheit nur mit hohem technischen Aufwand realisiert werden konnten.

CPU-Leistung und Speicher ohne Grenzen ?

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In Europa ist es insbesondere die Automobilelektronik, die als Massenmarkt zur Evolution der Mikrocontroller beiträgt, sowohl mit konventionellen Anwendungen wie Motorsteuerung, ABS und Navigationssystemen aber auch neueren Anwendungen wie Drive-by-Wire-Konzepten und Fahrerassistenzsystemen. Ein Stand-alone-Zentralsteuergerät, das sich z.B. im Jahr 2000 noch mit 256 KByte Flash und 10 KByte RAM bei 20 MIPS Prozessorleistung realisieren ließ, ist für die nächsten Fahrzeuggenerationen nach 2005 bereits als Cluster-/Client-Server-Architektur mit mehreren CAN-, LIN- und Flexray-Schnittstellen geplant und verlangt nach 100 MIPS CPU-Leistung mit mehr als 512 KByte Flash und 32 KByte RAM. Sind diese Anforderungen gerade noch mit den vorhandenen Single-Chip-Controllern zu bewältigen, so wird spätestens bei den 1000-MIPS-Anforderungen der Fahrerassistenzsysteme und Navigationssysteme klar, dass hier konventionelle Controllerkonzepte nicht mehr greifen. Ein Lösungsansatz, den Renesas hierfür entwickelt hat, ist die SIP-Technoloige (System in Package), bei der mehrere Chips in einem Gehäuse untergebracht sind.

System-in-Package-Technologie für höhere Anforderungen

Realisiert wird dies mit einem SH7780 Prozessor der mit 2 3 512 MByte Speicher(DDR SDRAM) in einem Gehäuse untergebracht ist. Diese Prozessor-Speicher-SIP-Integration erlaubt 320 MHz Bus-Zugriffsgeschwindigkeit und umgeht die Leistungseinbußen eines diskreten Aufbaus. Die Schnittstelle zur Außenwelt ist in diesem Fall ein 50-MHz-Bus zu einem I/O-ASIC. Gegenüber dem monolithischen Ansatz mit einem einzigen Silizium. Die reduziert sich bei der SIP-Technologie der Aufwand für die Simulation und Verifikation, da die Einzelchips einfacher zu testen sind oder bereits als qualifiziertes Silizium vorliegen. Weitere Vorteile dieses Aufbaus ergeben sich durch die Anpassung der I/O-Impedanzen der Adress-, Datenbus- und Steuerleitungen. Daraus resultiert eine reduzierte Störabstrahlung und eine geringere Leistungsaufnahme. Höhere Integrationsdichten sind ebenfalls realisierbar und werden durch Stapelung der Chips erzielt. Bild 1 zeigt einen Stacked SIP mit SH-Prozessor, Flash und SRAM.

Derzeit existieren SIPs mit bis zu fünf Chip-Layern. Bei allen höheren Integrationen, ganz gleich ob es sich dabei um SIP oder Einzelchips handelt, ist eine Selbsttest-/Debugginglogik mit Diagnoseschnittstelle erforderlich, um den Chip sowohl im Endtest als auch in der Anwendung testen zu können. Eine hohe Up- und Download-Geschwindigkeit dieser Single-Wire-Schnittstelle erlaubt gleichzeitig ein einfaches Konzept zum Debugging und damit den effizienten Aufbau von Emulatoren.

Renesas hat bereits weit mehr als 100 Mio. SIPs für verschiedenste Anwendungen aus den Bereichen Digital Consumer, Industrie und Car-Infotainment-/Navigationssysteme gefertigt und plant, die SIP-Fertigung neben den Einchip-SoC-Lösungen weiter auszubauen.

Innovation durch Vernetzung über Bussysteme

Neben der höheren Speicherintegration und CPU-Leistungen, ist es vor allem die Vernetzung der Anwendungen (drahtgebunden oder drahtlos), die zur Weiterentwicklung der Steuergeräte und damit auch der Mikrocontroller beiträgt. Trendsetter ist hier nicht nur die Automobilelektronik mit teils etablierten und teils neuen Bussystemen wie CAN, LIN, MOST, FlexRay, sondern auch Schnittstellen der digitalen Consumer-Anwendungen wie I²C, USB, oder Bluetooth. Auch in der Industrieelektronik und bei Haushaltsgeräten entstehen neue Schnittstellen wie z.B. PLC (Power Line Control), die eine Vernetzung der Anwendungen ermöglichen soll. Die standardisierten Software-Protokolllayer, die sich über diesen Schnittstellen auftürmen sind mit eine Ursache für den gestiegenen Speicherbedarf, und das Datenvolumen, das über die schnelleren Busformate übertragen wird (z.B. 10 MBit/s bei Flexray ) benötigt höhere CPU-Leistung zur Abarbeitung der Daten.

Konsequenterweise sind es vor allem 16- und 32-Bit-MCUs, auf denen entsprechende Schnittstellen implementiert werden und die zur Realisierung von Cluster- oder Gateway-Anwendungen herangezogen werden. Gateways werden benötigt als Schnittstellen für mobile Geräte, wie z.B. das Bluetooth Interface, das im Automobil als Schnittstelle zwischen Geräten der mobilen Kommunikation und dem Infotainment im Auto verwendet wird. Die Interkommunikation zwischen verschiedenen Geräten und Bussen bedarf einer hohen Datenintegrität und Datensicherheit, dies ist ein weiteres neues Feld für Peripheriemodule zur kryptografischen Verschlüsselung auf den MCUs.

Neue Speichertechnologien in Vorbereitung

Als Speichertechnologie für Embedded-Mikrocontroller hat sich neben den Masken-ROM-Bausteinen die Flash-Technologie durchgesetzt, wobei es hier allerdings Grenzen in Bezug auf die maximale Zugriffszeit gibt. Bei der konventionellen Stacked-Gate-Flash-Technologie liegt die Grenze bei etwa 80 MHz für qualifizierte Produkte, die z.B. auch in der Automobilelektronik bei Umgebungstemperaturen bis 125°C eingesetzt werden können. Um Mikrocontroller mit höheren Single-Cycle-Random-Flash-Zugriffszeiten zu ermöglichen, wird bei Renesas zunächst das MONOS Flash weiter entwickelt. Dessen Vorteile des MONOS Flash liegen zum einen in der Tatsache, dass ein Nichtleiter (Si3N4) als Isolator zwischen Floating-Gate- und Drain-Source-Strecke des Speichertransistors verwendet wird. Kommt es im Verlauf der Lebensdauer des Transistors tatsächlich zu Materialschwächen des Tunneloxids, geht nur der Teil der Ladung verloren, der sich lokal um die Störstelle herum befindet. Dies erhöht die Robustheit des Flash und zum anderen erlaubt es kleinere Flash-Zellenarchitekturen mit kleineren Gatekapazitäten, entsprechend höheren Zugriffszeiten und kürzeren Lösch- und Programmierzeiten.

Die technischen Vorteile und die reduzierte Flash-Modulgröße kombinieren sich zu einer attraktiven Speichertechnologie, die vor allem für größere Embedded-Speicher mit mehr als 256 KByte Speicherkapazität interessant wird.

Nahezu unbegrenzte Zahl an Schreib-/Löschzyklen

Aktuell wird ein Großteil der Embedded-Flash-MCUs in 0,20- und 0,18-µm-Prozesstechnologie gefertigt und Experten schätzen dass Flash als nichtflüchtige Speichertechnologie noch bis ca. 90 nm existent sein wird. Darüber hinaus sind aber bereits neue Technologien in Entwicklung, dazu zählt unter anderem MRAM (Magnetoresistive RAM) und PCM (Phase Change Memory) oder OUM (Ovonic Unified Memory), deren Vorteile vor allem in der fast unbegrenzten Anzahl der Schreib-/Löschzyklen (MRAM: 1016) und der schnellen Schreibzeit (MRAM: <30 ns) liegen. Sie stellen somit einen echten EEPROM-Ersatz dar (Bild 2).

Das magnetische Prinzip des MRAM ist zudem resistent gegenüber Transientenfehlern dem sogenannten „Soft-Error“, der die Zuverlässigkeit der Speicherlogik bei kleineren Prozessstrukturen zunehmend beeinträchtigt. Die Einführung dieser Technologien als Embedded-Speicher ist frühestens für 2010 geplant, wobei die aktuel-len Flash-Technologien jedoch mit Sicherheit noch etliche Jahre parallel gefertigt werden.

Renesas, Fax +49(0)2102 12436000

*Michael Loch ist Manager System Application Group der Automotive Business Unit bei Renesas in Ratingen.

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