Bild 1: Dargestellt ist die Entwicklung der Computertechnik in  Stückzahlen der jeweiligen Geräte. Die Mobilität ist Haupttriebfeder für das IoT, das wiederum eine große Zahl von neuen Anwendungen ermöglicht.

Bild 1: Dargestellt ist die Entwicklung der Computertechnik in Stückzahlen der jeweiligen Geräte. Die Mobilität ist Haupttriebfeder für das IoT, das wiederum eine große Zahl von neuen Anwendungen ermöglicht.Lattice

Das Internet der Dinge beschreibt eine Welt, in der praktisch jedes elektronische Gerät mit dem Internet verbunden ist und Geräte auch untereinander kommunizieren. Die Liste sinnvoller Anwendungen wächst, auch weil die Geräte immer mobiler werden (Bild 1). Das Konzept verspricht viele Vorteile für das tägliche Leben. Für einen durchschlagenden Erfolg muss die Branche aber erst eine Reihe von entscheidenden Hürden nehmen, vor allem die Energieeffizienz.

Einfach ausgedrückt besteht das IoT aus einem Zusammenwirken von Hardware, Software und Dienstleistungen, wobei die beiden letzten entscheidend sind. Alle drei Komponenten arbeiten ineinander, sammeln und transportieren Daten und analysieren sie. Schließlich treffen sie auf der Grundlage dieser Daten Entscheidungen, die die Effizienz verschiedener Prozesse verbessern.

Vielfalt der Geräte

Das Internet der Dinge wird von vielen Geräten bevölkert: Schlaue Haushaltsgeräte wie Kühlschränke, Toaster, Heizung und Klimaanlagen, Automobile und tragbare Elektronik sowie vieles mehr. So unterschiedlich die Geräte auch sind, sie alle erfassen, sammeln und verarbeiten Daten und sind alle miteinander verbunden. IoT-Gerät brauchen elektronische Sinne, um Informationen ihrer Umwelt zu erfassen und sie zu sammeln. Diese Daten übermitteln sie über eine Internetverbindung an einen anderen Ort oder ein anderes Gerät, das sie analysiert oder sonstwie verarbeitet.

Bild 2: Weniger Stromverbrauch, geringere Baugröße und kleinerer Preis sind die wesentlichen Herausforderungen für das IoT.

Bild 2: Weniger Stromverbrauch, geringere Baugröße und kleinerer Preis sind die wesentlichen Herausforderungen für das IoT.Lattice

Die meisten Geräte in der IoT-Welt sind batteriebetrieben. Sie müssen im Extremfall etliche Jahre mit einer Batterie durchhalten. Damit das funktioniert, muss das Gerät mit dem Batteriestrom sehr sparsam umgehen. Selbst wenn sie per Energy Harvesting Strom aus der Umwelt gewinnen, ist sparsamer Stromverbrauch gefordert.

Energieeffizienz als Herausforderung

IoT ist ein mächtiges Konzept. Viele Dinge werden mit dem IoT anders aussehen als heute – und das nicht nur aus Verbrauchersicht. Ein tragbares Gerät wie etwa das Fuel-Band von Nike besteht heute aus acht oder neun Baugruppen. In drei oder vier Jahren werden solche Geräte nur noch aus einer Baugruppe bestehen und erheblich weniger kosten als heute (Bild 2).

Eckdaten

Viele interessante Entwicklungen im Internet der Dinge müssen möglichst klein und möglichst energieeffizient sein. Lattice argumentiert, dass stromsparende FPGAs beide Eigenschaften vereinen: Sie ermöglichen eine höhere Integration und sparen damit Platz, außerdem trimmt Lattice seine Bausteine auf effizienten Umgang mit Energie.

Dieser Trend wird befeuert vom Wunsch der Verbraucher nach immer kleineren, flacheren  Geräten, gerade bei den Wearables. Dieser Trend wird kompliziert durch die rasante Entwicklung der Rechenkapazität: Nach dem Mooreschen Gesetz verdoppelt sich die Zahl der verbauten Transistoren etwa alle 18 Monate. Will man die oben genannten acht oder neun Baugruppen zu einer vereinigen, bedeutet das letztlich höhere Integration. Wenn man aber mehr Funktionen in einen einzigen Chip einbaut, braucht man dafür mehr Speicher, und der wiederum schluckt mehr Strom. Das passt nicht gut zu der Anforderung an ein IoT-Gerät, immer weniger Strom zu verbrauchen.

In den nächsten Jahren wird das IoT eine bessere Netzanbindung haben, komfortabler und quasi ständig online sein. Warum sollte ein IoT-Gerät noch einen Einschaltknopf haben? Es protokolliert Dinge wie etwa den Puls des Anwenders, wann er schläft und wann er wach ist. In der Zukunft werden alle IoT-Geräte ihre Dienste ständig anbieten – das klappt nur mit hoher Energieeffizienz.

Der Dauerbetrieb eines IoT-Geräts wirft ein weiteres Problem auf: Beim unablässigen Datensammeln entstehen enorme Datenmengen. Daraus muss man erst einmal etwas Sinnvolles herausziehen. Daten zu sammeln ist simpel, sie auszuwerten dürfte der erheblich schwierigere Part werden. Intelligente Sensoren und Big-Data-Analysemethoden werden hier die entscheidende Rolle spielen: Sie erfassen Daten bereits mit mehr Verstand und finden danach Korrelationen in größeren Datenmengen, um Tendenzen oder wichtige Ereignisse schnell zu finden und bei Bedarf entsprechend zu reagieren. Auch hier ist Energieeffizienz gefragt: Das Datensammeln sammeln selbst sowie der Datenspeicher brauchen Strom.

Bild 3: Bei der Entwicklung von IoT-Geräten ist die Energieeffizienz in allen Stadien der wichtigste Aspekt.

Bild 3: Bei der Entwicklung von IoT-Geräten ist die Energieeffizienz in allen Stadien der wichtigste Aspekt.Lattice

Die Herausforderungen meistern

Es ist nicht einfach, ein IoT-Gerät jahrelang mit einer einzigen Batterie zu betreiben. Man muss dafür stromsparende Bauteile einsetzen sowie stromsparende Konzepte nutzen. Dazu bedarf es Änderungen der Systemarchitektur und der Chip-Technologien. Bereits heute muss der Entwicklungsingenieur in allen Stadien des Designs von IoT-Geräten das Hauptaugenmerk auf die Energieeffizienz legen (Bild 3). Smartphones beispielsweise müssen beim Stromverbrauch um eine Größenordnung besser werden. Ein solcher Fortschritt lässt sich sicher nicht über Nacht erzielen, wohl aber in vielen kleinen Schritten über viele Generationen eines Produkts hinweg.

Lattice Semiconductor arbeitet ständig daran, den Stromverbrauch von IoT-Geräten zu verringern. Das Hauptaugenmerk legt das Unternehmen momentan auf die Verbesserung der Energieeffizienz, dabei entwickelt Lattice speziell die Transistoren und die Prozesstechnologie ständig weiter. Außerdem soll der Systementwickler mehr Freiheit beim Power-Management erhalten. Es geht dabei nicht nur um eine einzelne Low-Power-Betriebsart, sondern um eine flexible Steuerung mehrerer Betriebsarten mit einiger Granularität: Ist das betreffende Gerät an oder aus, schläft es, ist es ganz oder teilweise wach? Dazu gibt es Möglichkeiten, schnell von einer Betriebsart in eine andere zu kommen.

iCE40-Infobox

Lattice positioniert seine iCE-Serie im wachsenden Markt für mobile Geräte: kompakte Abmes­sungen, geringer Strom­ver­brauch und hoher Inte­gra­tions­grad der indi­vi­du­a­li­sier­baren FPGAs ist sowohl für die Smartphones und Wearables als auch für Indus­trie- und Medizin­tech­nik-Märkte gedacht. Seit der Markteinführung der iCE-Serie vor etwa drei Jahren hat Lattice bereits 250 Millionen Stück ausge­liefert. Zu den Kunden zählt Citizen Watch, deren Armbanduhr „Eco-Drive Satellite Wave F100“ Satelliten­signale empfängt und in Echtzeit verarbeitet, um in jeder der 40 Zeitzonen die korrekte Zeit anzuzeigen. Das iCE40-FPGA extrahiert aus den vom GPS-Satelliten­emp­fän­ger gelieferten Ein­gangs­daten die genaue Zeit­informa­tion und generiert Steuer­signale, um die Uhr auf die richtige Zeit einzustellen.

Lattice bietet auch IP für die Sprach- und Befehlserkennung mit der iCE40-Familie. Damit lassen sich mobile Geräte mit Funktionen auszustatten, die durch Sprache akti­viert werden. Die Lösung minimiert dabei die Wahrscheinlichkeit, dass das Gerät Geräusche fälschlicherweise als Sprache identi­fiziert und dadurch den Prozes­sor unnötigerweise aufweckt: Signal­verar­beitende Subsysteme werden nur dann akti­viert, wenn eine bestimmte menschliche Stimme erkannt wird, dadurch verringert sich der Stromverbrauch des Systems. Auch der FPGA selbst arbeitet sehr stromsparend. Die IP reagiert nur auf die Sprache des Benutzers und rea­giert nahezu verzögerungsfrei auf häufig ver­wen­dete Befehle. Dabei misst der Baustein nur 2,1 × 2,1 mm².

Bild 4: Das jüngste Mitglied der iCE-Familie – iCE40 Ultra FPGA – verkauft sich laut Lattice in großen Stückzahlen, weil Hersteller mobiler Geräte den geringen Stromverbrauch und die kleinen Abmessungen schätzen.

Bild 4: Das jüngste Mitglied der iCE-Familie – iCE40 Ultra FPGA – verkauft sich laut Lattice in großen Stückzahlen, weil Hersteller mobiler Geräte den geringen Stromverbrauch und die kleinen Abmessungen schätzen.Lattice

Lattice setzt seine Prozesstechnologie mit ihrer flexiblen Power- und Geschwindigkeitssteuerung ein, um die Vorteile von FPGAs gegenüber prozessorbasierten Lösungen auszubauen. Mit einer Kombination von Hardware- und Softwarelösungen sieht sich Lattice bei der Energieeffizienz um eine ganze Größenordnung besser als andere Lösungen.

Den Wünschen gerecht werden

Damit das Internet der Dinge seine Versprechungen erfüllen kann, muss noch viel passieren. Die Geräte müssen viel kleiner und billiger werden. Dazu ist ein höherer Integrationsgrad entscheidend, wie ihn FPGAs ermöglichen. Die Geräte müssen dauerhaft online sein sowie Daten intelligenter erfassen und analysieren. Und über diesen Teilbereichen schwebt das übergreifende Ziel: Strom sparen.