Internet der Dinge Die nächste ATE-Herausforderung

Wie müssen sich ATE-Systeme entwickeln um den IoT-Geräten gerecht zu werden.
Wie müssen sich ATE-Systeme entwickeln um dem IoT gerecht zu werden.

Durch das zunehmende Angebot „intelligenter“ Gegenstände drängt sich das Internet der Dinge in unser Leben. Laut einer Schätzung von Cisco Systems soll die Anzahl der mit dem Internet verbundenen Dinge bis 2020 auf 50 Milliarden steigen. Wie müssen sich dafür die ATE-Systeme entwickeln?

Was ist das Internet of Things oder IoT? Im Prinzip sind es unterschiedlichste Anwendungen, die auf Bauteilen basieren, die wiederum aus drei wichtigen Komponenten bestehen:

  • Computing – ein Prozessor/Controller plus Software
  • Sensoren – die Elemente, die physikalische Messgrößen liefern
  • Konnektivität – das Bauelement, welches die Objekte verbindet, entweder untereinander oder mit der Cloud/dem Internet.

Das in diesem Segment erwartete explosive Wachstum stellt neue Herausforderungen für die Halbleiterindustrie dar, da hierfür Bauteile in einer bisher beispiellosen Kombination von großen Stückzahlen und hoher Leistungsfähigkeit benötigt werden. Aus der Sicht der Hersteller von Halbleiter-Testlösungen hat dies einzigartige Anforderungen zur Folge, da die Testsysteme (ATE) auf zahlreiche neue Herausforderungen reagieren müssen.

Computing

Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal des IoT Computing – unter vielen – ist die niedrige Stromaufnahme: Von eigenständigen und mit der Umgebung interagierenden Objekten wird erwartet, dass sie mit einer Knopfbatterie mehrere Monate funktionieren. Der Kampf um Marktanteile hat längst begonnen. Viele IC-Anbieter werben damit, dass sich ihre MCUs durch die jeweils niedrigste Stromaufnahme auszeichnen. Neue, IoT-orientierte Designs minimieren die Energieaufnahme, indem sie die CPU so oft wie möglich in den Schlafmodus versetzen. Heute liegt die Stromaufnahme im Schlaf-/Standby-Modus bei weniger als 10 nA und im aktiven Betrieb bei unter 100 µA. Die Messung dieser sehr kleinen Ströme während des Tests erfordert modernste ATE-Instrumente mit extrem hoher Genauigkeit.

Sensoren

Die Interaktion mit der realen Welt erfolgt über Sensoren, die unterschiedlichste physikalische Stimuli in die digitale Welt umwandeln. Die enorme Vielfalt an Sensoren erfordert, dass eine ähnlich große Palette von Test-Setups unterstützt werden muss. Beim Test von Sensoren müssen normalerweise ein oder mehrere physikalische Stimuli während des Tests angelegt und die resultierenden analogen oder digitalen Ausgangssignale des Sensors gemessen werden. In vielen Fällen durchlaufen diese Daten vom Bauteil noch eine Nachverarbeitung. Zudem sind teilweise Anpassungsdaten ins Sensorbauteil zurückzuschreiben (Trimming/Calibration). Je nach Art des Sensors kann das Test-Setup sehr unterschiedlich sein und ein ATE-System erfordern, das sich flexibel an die verschiedenen Testanforderungen anpassen lässt. Lässt sich ein Testsystem nicht umkonfigurieren, dann wird es sich nie an diese wechselnden Anforderungen wirtschaftlich anpassen lassen.

Konnektivität

Von den drei Komponenten eines IoT-Bauteils ist die Konnektivität ganz klar der Bereich, bei dem heute noch die größte Unsicherheit besteht. Die unterschiedlichen Anforderungen im Hinblick auf Stromaufnahme, Reichweite, Datenrate und Kosten erfordern Kompromisse, da sich bisher kein vorherrschender Standard durchsetzen konnte. Eine interessante Entwicklung ist der neue LTE-M-Standard, der IoT-Anwendungen künftig einen direkten Zugriff auf das Mobilfunknetz mit geringerer Bandbreite und niedrigen Kosten ermöglicht, also das Gerät direkt mit dem Internet verbindet. Die Unsicherheit bezüglich eines sich etablierenden Standards und das große Angebot an verschiedenen Kommunikationstechnologien haben ebenfalls einen direkten Einfluss auf den Test der IoT-Chips. Testlösungen mit dedizierten HF-Subsystemen, die nur einen oder wenige dieser Kommunikationsstandards abdecken, erlauben keinen wirtschaftlichen Testansatz für IoT-Chips. Es ist vielmehr eine Lösung erforderlich, die von Grund auf eine hohe Flexibilität und Skalierbarkeit bietet, um HF-Standards von einer sehr niedrigen Leistung und Geschwindigkeit bis hin zu WiFi/LTE abdecken zu können. Über diese Anforderungen hinaus gibt es noch weitere Aspekte, die auf dem Markt der IoT-Halbleiter einzigartig sind und den Test und/oder die verwendete Messtechnik beeinflussen.

Explosives Wachstum

Analysten erwarten, dass zehnmal mehr IoT-Geräte pro Jahr auf den Markt kommen als Smartphones, dabei aber mehr als hundertmal mehr verschiedene Anwendungen. Deshalb ist es ziemlich unwahrscheinlich, dass ein einzelnes Halbleiterbauteil für IoT-Geräte in derselben Menge hergestellt werden wird wie heute z.B. Bauteile für Smartphones. Für ATE bedeutet dies, dass Lösungen erforderlich sind, die einfach für andere Anwendungen genutzt und auf verschiedene und sich ändernde Anwendungen skaliert werden können.