Anforderungen an IoT-Mikrocontroller Energiesparend, schnell, sicher

Ein Systemon Chip mit zwei Prozessorkernen für IoT-Anwendnngen.
Ein System on Chip mit zwei Prozessorkernen für IoT-Anwendnngen.

Bisher mussten für IoT-Geräte meist Standard-Mikrocontroller angepasst werden. Mit dem PSoC 6 bringt Cypress jetzt ein System on Chip mit zwei Prozessorkernen auf den Markt, das eigens für IoT-Anwendungen entwickelt wurde und neben Energiesparfunktionen auch die Sicherheitsanforderungen adressiert.

Die Maschine-zu-Maschine-Kommunikation (M2M) ist als Konzept nicht neu. Techniken wie das HART-Protokoll (Highway Addressable Remote Transducer) zur industriellen Kommunikation ermöglichen verschiedene Formen von M2M-Kommunikation seit Jahrzehnten. Das Internet der Dinge (IoT) – die Idee, selbst ein so einfaches Gerät wie einen Raumthermostat oder eine Leuchte mit dem Internet zu verbinden – steckt noch in den Anfängen. Unabhängige Vorhersagen von Analysten und Verbänden der Halbleiterindustrie gehen davon aus, dass der IoT-Markt für Endprodukte sein Volumen im Zeitraum von 2016 bis 2019 verdoppeln wird und dass bis 2020 rund 30 Milliarden Geräte mit dem Internet verbunden sein werden.

Da sich der Ausbau des IoT immer noch in einer frühen Phase befindet, setzen die Entwicklungsteams der Hersteller für die Entwicklung neuer IoT-Geräten bislang noch Mikrocontroller aus der Zeit vor dem Internet der Dinge ein. Der Betrieb in einer IoT-Umgebung stellt jedoch neue Anforderungen, für die diese älteren Mikrocontroller niemals vorgesehen waren.

Daher stehen die Entwickler von IoT-Geräten nun in vielen Fällen vor der Entscheidung, entweder vorhandene Entwicklungen mit älteren Mikrocontrollern zu erweitern, indem sie zusätzliche Eigenschaften und Fähigkeiten hinzufügen, die für die Internet-Verbindung und Cloud-basierte Anwendungen benötigt werden, oder mit einer neuen Generation von Mikrocontrollern, die eigens für die Anforderungen von IoT-Geräten ausgelegt sind, von Grund auf neu zu entwickeln.

Die vier Attribute eines IoT-Mikrocontrollers

Es gibt natürlich viele verschiedene Modelle, um Geräte am Rand des Internets mit der Cloud zu verbinden und um auf der Geräteebene den maximalen Nutzen aus einer Internet-Verbindung zu ziehen. Dennoch gibt es einige neue Anforderungen, die viele Klassen von IoT-Geräten gemeinsam haben. Das sind:

Niedrige Energieaufnahme

  • Viele IoT-Geräte werden mit Akkus betrieben. Dabei geht es den Entwicklern um eine maximale Betriebszeit zwischen zwei Ladevorgängen bei möglichst geringer Größe und Kosten des Akkus. Selbst bei netzbetriebenen Geräten hilft eine gute Energieeffizienz beim Wärmemanagement und erlaubt es dem Entwickler, die Größe und Kosten von Bauteilen wie z.B. Kühlkörpern gering zu halten.

Hohe Rechenleistung

  • In vielen Fällen dient die Internet-Verbindung dazu, Daten zu erzeugen und zu nutzen. Hierzu werden die IoT-Geräte mit zahlreichen Sensoren und Eingabegeräten ausgestattet. Außerdem verlangen die Anwender zunehmend Smartphone-ähnliche Schnittstellen mit Grafik-Displays und Berührungserkennung. Diese Features setzen eine erhebliche Rechenleistung voraus – eine Anforderung, die gewöhnlich dem Wunsch nach niedriger Energieaufnahme entgegensteht.

Sicherheit

  • Beim Betrieb am weltweiten Internet müssen IoT-Geräte die Privatsphäre des Benutzers wahren, sich selbst vor Angriffen schützen, Identitäten überprüfen und unbefugte Zugriffe auf oder Änderungen an den Daten verhindern. Die Sicherheitsanforderungen an ein IoT-Gerät sind daher wesentlich höher als diejenigen, die gewöhnlich an vergleichbare, nicht mit dem Internet verbundene Geräte gestellt werden.

Schnittstellen

  • Schnittstellen wie USB und Ethernet sind bei älteren Mikrocontrollern und Prozessoren weit verbreitet. Viele neue IoT-Geräte benötigen jedoch eine Funkverbindung. Hier haben sich das standardisierte Bluetooth Low Energy (BLE) und WiFi als bevorzugte Techniken erwiesen, da sie von Milliarden bereits vorhandener Smart¬phones und Tablet-PCs unterstützt werden.

Diese Kombination von Anforderungen übersteigt die Möglichkeiten der älteren Mikrocontroller und -prozessoren aus der Zeit vor dem Internet der Dinge. Sie wurden für Geräte entwickelt, die entweder für niedrigen Energiebedarf oder hohe Leistung optimiert wurden, jedoch nicht für beides. Auch die Sicherheitsfunktionen der älteren Mikrocontroller sind beschränkt. Die Entwickler von IoT-Geräten müssen daher neben dem Mikrocontroller diskrete Sicherheitskomponenten wie Authentifizierungs-ICs und Kryptografie-Prozessoren in ihre IoT-Geräte einplanen. Auch für die Schnittstellen werden gemeinhin zusätzliche diskrete Komponenten benötigt. Damit stehen die Entwickler vor den Nachteilen einer hohen Anzahl von Bauteilen und einer großen Leiterplatte und müssen dazu noch weitere Kompromisse zwischen Leistung und Energieaufnahme in Kauf nehmen.

Zu ihrer Ehrenrettung muss gesagt werden, dass die älteren Mikrocontroller von sich aus keine schlechten Mikrocontroller sind. Mit dem Internet der Dinge hat sich nur das Umfeld geändert und sie sind für die neuen Anforderungen nicht mehr so gut geeignet.

Mittlerweile zeigen neue Mikrocontrollerfamilien, die von Grund auf für die IoT-Umgebung entwickelt worden ist, dass die Nachteile der älteren Mikrocontroller vermieden werden können.