FRAM-basierte MCUs für Drahtlosnetzwerke bieten Entwicklern neue Möglichkeiten

Laut einer Prognose der Forschungsgruppe Semi Foundation liegt die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate (CAGR) des gesamten Halbleitermarktes von 2015 bis 2025 bei 6,7 Prozent, während bei Embedded-Wireless-Halbleitern und Sensoren für Mobilitäts- und IoT-Märkte im gleichen Zeitraum eine jährliche Wachstumsrate von 15,3 Prozent zu erwarten sei. Das Wachstum des Embedded-Wireless-Marktes ist zu einem großen Teil auf die schnelle Verbreitung der drahtlosen Kommunikation in Technologien wie Smartphones, mobilen Gesundheits-/tragbaren medizinischen Geräten und dem IoT zurückzuführen.

Trotz der hohen Wachstumsrate ist das volle Potenzial von Embedded-Wireless-Systemen noch nicht ausgeschöpft, da bestimmte grundlegende Probleme im Bereich der Entwicklung bislang ungelöst waren. Die daraus resultierenden Herausforderungen basierten auf Einschränkungen bei Batterielösungen, auf unterschiedlichen Speicheranforderungen sowie auf Lücken in der Sicherheit und Zuverlässigkeit von drahtlosen Systemen. Daneben setzen noch immer viele Hersteller drahtloser Sensoren auf eine verteilte statt eine zentralisierte Verarbeitung – eine technische Entwicklung, die für die Senkung des Stromverbrauchs von großer Bedeutung ist. Jüngste Entwicklungen in der Speichertechnologie, nicht unerheblich beeinflusst durch die Einführung des Embedded-Ferroelectric-Random-Access-Memory (FRAM), bieten Entwicklern nun neue Möglichkeiten, diese Design-Herausforderungen anzugehen.

FRAM und das Smart Grid

Bild 1: In naher Zukunft sollen das Smart Grid und intelligente Geräte mit Smart Buildings interagieren können. AdobeStock_181871014 von tippapatt

Die gesteigerte Energieeffizienz von Embedded-Wireless-Systemen, die FRAM als Speicheralternative verwenden, löst viele der Design-Herausforderungen, die mit diesen Embedded-Schaltungen verbunden sind. Damit sind FRAM-basierte Systeme auch eine geeignete Lösung für große verbundene Netzwerke in Anwendungen wie Smart Buildings, Smart Grids oder dem Internet der Dinge. FRAM kann sowohl als Speicher als auch als RAM für Daten fungieren und ermöglicht so mehr Flexibilität und einfachere Speichermodifikationen, um die Anwendungsanforderungen zu erfüllen.

Für Entwickler bedeutet dies, dass sie, anstatt die Gerätetypen bereits in der Entwurfsphase einzuschränken, einfache Änderungen an den Wellenparametern vornehmen können, sodass eine bessere Bestandsverwaltung möglich ist. Außerdem ist es möglich, denselben Mikrocontroller (MCU) mit verschiedenen Arten von drahtlosen Protokollen zu verwenden. Dies ist besonders interessant bei der Betrachtung des elektrischen Smart Grid oder intelligenter Geräte, die in naher Zukunft in intelligenten Gebäuden interagieren sollen (Bild 1).

Bild 2: Das Smart Grid versucht, mithilfe drahtloser Technologie den Stromverbrauch besser zu überwachen und effizienter zu gestalten. AdobeStock_109220032 von monicaodo

Die Idee hinter dem Smart Grid besteht darin, mithilfe drahtloser Technologie den Stromverbrauch besser zu überwachen und diese Informationen sowohl Verbrauchern als auch Versorgungsunternehmen im Hinblick auf eine effizientere Energiebereitstellung und -nutzung zur Verfügung zu stellen (Bild 2). Im Zuge des Ausbaus des digital optimierten Stromnetzes ist zudem eine Steigerung des Bedarfs an Möglichkeiten zur drahtlosen Datenübertragung zwischen allen Arten von intelligenten Geräten, Schalttafeln und anderen Schnittstellen mit sehr geringer Leistungsaufnahme zu erwarten.

Ein ökonomischer Schlüsselfaktor für Smart-Grid-Kommunikationsnetzwerke besteht für Versorgungsunternehmen darin, von einem monatlichen Abrechnungszyklus zu Abrechnungsmodellen ausschließlich für die Nutzungsdauer überzugehen. Eine weitere Option ermöglicht Verbrauchern eine dynamische Preisgestaltung, die dazu beitragen kann, den Energiebedarf über verschiedene Zeiträume hinweg zu verschieben, um kritische Spitzen zu vermeiden. Aktuell ist dazu eine komplexe Berechnung notwendig, die von speicherhungrigen Nachschlagetabellen abhängt.

Die offene Natur der drahtlosen Kommunikation macht diese grundsätzlich anfällig für Sicherheitsbedrohungen. Eine wichtige Herausforderung bei der Entwicklung besteht darin, dafür zu sorgen, dass die Smart-Grid-Knoten sicher und widerstandsfähig gegenüber Angriffen sind. Damit dies möglich ist, müssen Entwickler und Dienstprogramme in Echtzeit mit Fehlerbehebungen reagieren können, die das Netzwerk bereitstellt. Eigenschaften wie sicheres Schreiben, eine hohe Ausdauer und ein geringer Stromverbrauch machen FRAM zu einer guten Wahl, wenn es um Sicherheits-Patches und erweiterte Funktionen für Smart Grids geht.

Wie FRAM dabei hilft, die Komplexität der Systeme und die Bauteilkosten zu verringern, zeigt der Beitrag auf der nächsten Seite.

Mehr als nur Komplexitätsreduktion

Bild 3: Der MSP430 ist ein 16-Bit-RISC-Mikrocontroller der Firma Texas Instruments. Premier Farnell

Ein weiterer Grund für die Nützlichkeit des FRAM für Smart Grids ist, dass er die Komplexität des Systems und die Bauteilkosten reduzieren kann. Beispielsweise beinhalten viele Smart-Grid-Designs heutzutage eine gesonderte nichtflüchtige Speicheroption (entweder FRAM oder EEPROM). Diese lassen sich ohne Probleme innerhalb einer integrierten MCU mit FRAM unterbringen (wie bei den MCUs mit FRAM der Baureihe MSP430FRxx von Texas Instruments), bei niedrigem Gesamtstromverbrauch des Systems (Bild 3).

FRAM hat mehrere inhärente physischer Eigenschaften, die für sichere Smart-Building-Anwendungen von Vorteil sind. Die hohe Überschreibbarkeit bedeutet, dass Verschlüsselungsvorgänge über die vorhersehbare Produktlebensdauer stattfinden können, ohne dass man sich Sorgen darum machen müsste, dass der Speicher ausfällt. Durch den geringen Energieverbrauch und die hohe Geschwindigkeit beim Schreiben steigt auch die Datensicherheit, da es schwer ist, einen Messfühler auf dem Chip unterzubringen und die Daten abzutasten. Außerdem ist es physisch unmöglich, durch Öffnen des Chips die einzelnen FRAM-Moleküle auszulesen und die Speicherinhalte zu decodieren. Ein intelligentes Gebäude wäre dadurch sogar noch sicherer, und zwar sowohl was das physische Hacking als auch was den drahtlosen Zugriff auf die Systemdaten anbelangt.

Schließlich bedeutet ein Speicher mit geringerem Energieverbrauch und längerer Lebensdauer, dass diese Smart-Grid-Designs über die gesamte Produktlebensdauer geschlossen und versiegelt bleiben können. Für die Vielzahl von Knoten wäre entweder gar keine Wartung oder nur ein sehr einfacher Austausch des gesamten Knotens notwendig, anstatt einen Akku auszutauschen, was aufwendiger ist. Dies trägt dazu bei, die Kosten über die gesamte Lebensdauer des Smart-Building-Systems zu senken und das System gleichzeitig robuster gegenüber sich ändernden Umgebungseinflüssen zu machen.

Was ist FRAM?

FRAM ermöglicht, genau wie DRAM auch, den Direktzugriff auf jedes einzelne Bit, sowohl zum Lesen als auch zum Schreiben. FRAM bietet bestimmte Vorteile gegenüber anderen eigenständigen Speichern. Anders als EEPROM oder Flash-Speicher benötigt FRAM weder eine Ladungspumpe, noch eine besondere Sequenz zum Schreiben von Daten oder eine höhere Programmierspannung. FRAM ist nicht flüchtig und bietet damit mehr Flexibilität sowie einen Schutz vor Datenverlust, sollte es zu einer Unterbrechung der Stromversorgung kommen (Bild 4). All dies zusammen senkt den Energieverbrauch im Vergleich zu Flash um das 250-fache pro Bit, ohne dabei den Speicher zu stören.

Bild 4: Der nichtflüchtige FRAM bietet Schutz vor Datenverlust bei Unterbrechungen der Stromversorgung. Wikimedia

Obwohl eigenständige FRAM-Lösungen bereits seit einiger Zeit erhältlich sind, war ihre Verwendung bislang auf den allgemeinen Einsatz in Speichergeräten beschränkt. Erst die Kopplung von FRAM mit MCUs hat es ermöglicht, dass dieser Speichertyp breitere Anwendung findet. Anhand integrierter MCUs lässt sich der ganze Wert und die Kapazität der Speicherfunktionen von FRAM erst richtig ermessen: Er bietet universellen Speicher, einen geringen Stromverbrauch, Flexibilität, eine lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit. Dies sind Schlüsseleigenschaften für Embedded-Wireless-Anwendungen, die bisher nicht zur Verfügung standen.

Im Folgenden beschreibt der Beitrag, welche Entwicklungsfreiheiten die Drahtloskommunikation bietet und wie sich mit FRAM-Speicherlösungen sichere Systeme entwickeln lassen.

Hohe Entwicklungsfreiheit

Drahtlose Kommunikation zeichnet sich insbesondere durch die Entwicklungsfreiheit aus, die sie in Bezug auf Funkparameter wie Frequenz, Bandbreite und Ausgangsleistung oder auf Netzwerkspezifikationen wie Topologie und Betrieb, Paketdefinition und verschiedene weitere protokollspezifische Anforderungen bietet. Wenn Entwickler ihre Designs für die spezifischen Anforderungen verschiedener drahtloser Anwendungen konzipieren, können solche Variationen die Anforderungen stark verändern, gerade im Hinblick auf den Speicher in drahtloser Software.

Selbst bei standardisierten und behördlich regulierten Protokollen, wie es bei Wi-Fi, Bluetooth oder Nahfeldkommunikation (NFC) der Fall ist, können die tatsächlichen Implementierungen bei den Speicheranforderungen stark variieren, je nach Wahl der MCU-Plattform oder spezifischer Merkmale. Bei Einsatz eines herkömmlichen Flash-Speichers bleibt der Entwicklungsaufwand auf nur wenige Geräte und Speicherkonfigurationen beschränkt und die Auswahl der MCU ist oft aufgrund der Datenanforderungen eingeschränkt. Ein solcher Ansatz ist nicht beständig gegenüber größeren Codeänderungen und führt zu einem größeren Footprint.

Geschäftsmodelle und geistiges Eigentum (IP) schützen

Sicherheit ist in drahtlosen Systemen von entscheidender Bedeutung, um sowohl Funkübertragungsdaten als auch geistiges Eigentum (IP, Intellectual Property) zu schützen, das in die drahtlosen Knoten eingeflossen ist. Robuste FRAM-Speicherlösungen bieten reichlich Speicherplatz für verschlüsselte Daten, Sicherheitsschlüssel und die direkte Schlüsselgenerierung. Derselbe Speicher kann damit auch als Verarbeitungspuffer-Speicherplatz für Verschlüsselungs- oder Sicherheitsalgorithmen dienen.

Zum Beispiel erfordern einige NFC- oder sichere Kreditkartentransaktionsanwendungen bis zu 100 Schlüsselgenerierungen und Speicherschreibvorgänge pro Tag. Ein typischer Flash-Speicher mit 10.000 Schreib-/Löschzyklen benötigt 10 Byte Speicher pro Datenbyte, um 100.000 Schreib-/Löschzyklen zu erreichen. Im Vergleich dazu kann ein FRAM-Speicherbyte 10¹⁵ Schreib-/Löschzyklen überdauern – 100 Milliarden Mal mehr als ein Flash-Byte.

Auch beim IP-Schutzmechanismus sind aufgrund der Dualität des FRAM-Speichers noch Verbesserungen möglich. Insbesondere können IP-Anbieter problemlos ein zusammenhängendes Segment in FRAM blockieren, um sowohl ihren IP-Code als auch den Datenspeicher zu sichern, der für die Verarbeitung während der Ausführung notwendig ist. Dies ermöglicht es IP-Anbietern, ihr IP praktisch zu „verpacken“ und gewährleistet ein höheres Maß an Schutz selbst vor Taint-Tracking.

(aok)