Prozessortechnik für Wearables Guter Kompromiss zwischen Funktionalität und Batterielebensdauer

Typische Messtechnik integriert in den Wearables.

Entwickler von Wearables müssen immer einen Kompromiss zwischen Leistung, Laufzeit und Funktionsumfang des Geräts schließen. Mit Applikationsprozessoren, die ein intelligentes Power Management erlauben, kann für typische Messanwendungen aber eine deutlich reduzierte Leistungsaufnahme erzielt werden.

Exzellente Benutzerfreundlichkeit entscheidet über Erfolg oder Misserfolg jeder Wearable-Technik auf dem Markt. Umso mehr, da sich diese Technik rasant entwickelt: Bausteine mit eingeschränkter Funktionalität, jedoch langer Batterielebensdauer werden zunehmend abgelöst von "smarten" Komponenten mit höherem Energiebedarf. Mit Benutzerfreundlichkeit ist dabei nicht nur die sehr gute Funktionalität und Performance eines Gerätes gemeint, die anspruchsvolle Kunden selbstverständlich einfordern. Weara­bles sollen außerdem so einfach wie nur irgend möglich handhabbar sein. Eine entscheidende Rolle spielt hierbei, wie lange diese Geräte ihre Funktion und Performance liefern können, bis die Batterie wieder aufgeladen werden muss. Deshalb sind die Entwickler von Wearables gefordert, den besten Kompromiss zwischen Funktionalität, Performance und Batterielebensdauer zu implementieren. Dies gelingt nur mit bester Kenntnis der zugrunde liegenden Prozessortechnik.

Evolution der Wearable-Technik

Unsere Vorliebe für tragbare Technik reicht weiter zurück, als man zunächst annehmen könnte. Bereits im 16. Jahrhundert erschien die erste tragbare Uhr, bald gefolgt von portablen Rechenmaschinen im 17. Jahrhundert, die zur Zeit der Qing-Dynastie die Form von Ringen hatten. Doch erst im späten 20. Jahrhundert kamen die ersten ernstzunehmenden Wearables auf den Markt - einschließlich der kultigen Rechner-Armbanduhren sowie des Walkman von Sony.

Im 21. Jahrhundert stieg das Tempo, mit dem sich die Wearables verbreiten. Dies gilt insbesondere für Fitness-Armbänder sowie in jüngerer Zeit für intelligente und vernetzte Geräte. Inzwischen dominieren Wearables das Internet der Dinge (IoT, Internet of Things), wobei - Gartner zufolge - bereits mehr als 4 Milliarden Geräte vernetzt sind und Tag für Tag 5,5 Millionen dazu kommen. Während sich aber derzeit die meisten Wearables noch über eine Smartphone-App mit der Außenwelt verbinden, haben neue und kommende Wearables immer mehr mit dem Smartphone selbst gemeinsam als die bisherigen weniger smarten Geräte. Tatsächlich haben die meisten Innovationen - von MMI-Schnittstellen für Displays/Touchscreens bis hin zu Elementen zur drahtlosen Verbindung einschließlich Bluetooth Low Energy (BLE), WiFi und GPS - ihre Wurzeln in der Smartphone-Technik. Entwickler stehen vor der Aufgabe, Geräte zu entwickeln, die so überzeugend sind, dass der Käufer sie gerne weiter verwendet und sie stets auf die nächste Generation nachrüstet. Das dies kein leichtes Unterfangen ist, veranschaulicht eine aktuelle Untersuchung, der zufolge die Hälfte aller gekauften Fitness-Armbänder unbenutzt herum liege und ein Drittel gar in den ersten sechs Monaten nach dem Kauf weggeworfen werde [1]. Die Gründe für diesen Interessensverlust: Mangelnde Funktionalität, Komfort und Benutzerfreundlichkeit sowie Umständlichkeiten, nicht zuletzt hinsichtlich der Zeitspanne zwischen Batterieaufladungen. Daraus ergibt sich die klare Forderung nach Wearables mit einem hohen Maß an Funktionalität, einer hervorragenden Performance sowie exzellenter Batterie­lebensdauer.

Herausforderungen bei der ­Auslegung der Elektronik

Moderne Wearable-Technik erfordert die Integration einer Vielzahl von Funktionsblöcken auf einem sehr kleinen Platz, wie in Bild 1 dargestellt.

Prozessoren, Batterien und Power Management, Displays, Audio, MMI, Schnittstellen und Sicherheit sind nur einige Bereiche, die adressiert werden müssen. Darüber hinaus müssen noch Beschleunigungsmesser, Gyroskope sowie ein ganzes Arsenal verschiedener Sensoren integriert werden, deren Signale abgeglichen und verarbeitet werden müssen. Und als wäre das noch nicht herausfordernd genug, konkurrieren die verschiedenen Anforderungen auch noch miteinander. Gesteigerte Funktionalität und Performance lassen sich ganz einfach durch den Einsatz eines größeren, schnelleren Prozessors bewältigen - auf Kosten der Größe sowie der Batterie­lebensdauer. Permanent horchende Sensoren (Always-on) und Kommunikationsverbindungen saugen die Batterie leer; deshalb müssen sich Entwickler Maßnahmen zum Abschalten von Systemblöcken ausdenken, wenn diese gerade nicht benötigt werden. Zwar können für Wearables einige Design-Elemente ihrer Smartphone-Vettern übernommen werden, allerdings hat der Mangel an Platz hier noch restriktivere Regeln für die Stromaufnahme sowie potenziell größere EMI-Probleme zur Folge. Den richtigen Kompromiss zu treffen, mit dem das Wearable eine ausreichende Performance erzielt, in einem möglichst kleinen Gehäuse untergebracht werden kann und dessen Leistungsaufnahme für eine ausreichende Batterielebensdauer optimiert ist, stellt hohe Anforderungen an die Entwickler: Sie müssen die zugrunde liegende Prozessortechnik gründlich kennen und sehr sorgfältig berücksichtigen.