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 oder intelligente Geräte mit Smart Buildings interagieren können.

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.

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.

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