Da Renesas la nuova tecnologia di processo SOTB per consumi a prova di Energy Harvesting

Un rivoluzionario microcontrollore, dotato di funzionalità Energy Harvesting, è in grado di operare con livelli di corrente che non sono possibili con le tecnologie tradizionali.

Renesas Electronics Corporation svela oggi un innovativo microcontrollore, dotato di funzionalità energy harvesting, in grado di eliminare la necessità di utilizzare o di sostituire le batterie nei dispositivi IoT. Il nuovo microcontrollore R7F0E, basato sulla rivoluzionaria tecnologia di processo, sviluppata da Renesas, denominata SOTB (Silicon On Thin Buried oxide), consente di ottenere una eccezionale riduzione sia della corrente richiesta nello stato operativo attivo sia della corrente richiesta in stand-by. Questa combinazione non era disponibile in precedenza nei microcontrollori   tradizionali. Questi livelli di corrente estremamente ridotti, richiesti dai microcontrollori basati su tecnologia SOTB, consentono ai progettisti ed ai produttori di sistemi di fare un ulteriore passo in avanti nello sviluppo dei propri prodotti senza l’impiego di batterie, grazie all’utilizzo delle tecniche di energy harvesting quali, ad esempio, la luce, le vibrazioni ed il flusso d’aria. La disponibilità di tecnologie che richiedono livelli di energia estremamente ridotti combinato con l’utilizzo delle tecnologie energy harvesting consente di dare un impulso di crescita alle nuove applicazioni connesse (IoT) senza necessità di manutenzione, come quelle degli endpoint intelligenti in ambito industriale, residenziale, terziario, agricolo, indossabile e della sanità. Renesas ha già iniziato la distribuzione ed il supporto di questo nuovo tipo di microcontrollori presso i clienti più importanti.    

Il primo prodotto commerciale di Renesas che utilizza la tecnologia SOTB, il microcontrollore R7F0E, è un microcontrollore a 32 bit basato su un core Arm Cortex in grado di operare a 64 MHz così da essere in grado di gestire localmente ed in modo veloce sia l’acquisizione dei dati dai sensori sia l’elaborazione degli stessi per eseguire analisi complesse e per gestire, di conseguenza, le funzioni di controllo. Grazie ad un consumo di corrente di soli 20 µA per MHz e di soli 150 nA nella modalità denominata deep standby queste caratteristiche, che rappresentano lo stato dell’arte nelle applicazioni industriali, corrispondono a circa un decimo di quanto è attualmente disponibile nel mercato dei microcontrollori. Questo rende R7F0E la migliore soluzione sul mercato per lo sviluppo di applicazioni energy harvesting.

Il microcontrollore R7F0E permette ai progettisti di semplificare l’approccio alle sfide da affrontare durante lo sviluppo di applicazioni con caratteristiche di energy harvesting che debbano essere anche competitive dal punto di vista dei costi. A bordo del dispositivo troviamo un innovativo Energy Harvesting Controller (EHC) configurabile che è in grado sia di rendere il sistema più robusto sia di ridurre la necessità di componenti esterni costosi. Il controllore EHC può essere collegato direttamente a diversi tipi di sorgenti di energia quali ad esempio solare, di vibrazione oppure piezoelettrica proteggendo, allo stesso tempo, il sistema dalle pericolose sovracorrenti all’accensione. Il controllore EHC controlla anche la carica dei dispositivi esterni di accumulo dell’energia quali ad esempio i supercap e le batterie ricaricabili. Grazie ai consumi estremamente ridotti del microcontrollore R7F0E è possibile ottenere nuove funzionalità a livello di sistema:

La possibilità di misurare e leggere gli ingressi analogici in modo continuo dato che il convertitore analogico–digitale (ADC) richiede una corrente di funzionamento di soli 3 µA.

La possibilità di salvare il contenuto di tutti i 256 KBytes di RAM statica a bordo anche durante l’operatività in basso consumo grazie al fatto che la corrente di richiesta per il mantenimento dei dati è di solo 1 nA per ogni kilobyte di SRAM.

La possibilità di gestire le funzioni grafiche di conversione dei dati che includono la rotazione, lo scorrimento e la gestione del colore grazie alla presenza di una sofisticata gestione hardware, a basso consumo, per il controllo del display esterno che utilizza la tecnologia Memory In Pixel1 LCD, questa consente di ridurre quasi a zero il consumo richiesto per mantenere il contenuto dell’immagine sul display.

Questi esempi mostrano l’attenzione ai dettagli posta dagli ingegneri che hanno progettato il microcontrollore R7F0E allo scopo di sviluppare un dispositivo unico nel suo genere in grado di supportare al meglio tutti i progettisti alle prese con sistemi che richiedono le migliori caratteristiche di consumo e che devono approcciare il progetto considerando tutti i componenti del sistema.

Sono molto lieto del fatto che Renesas sia stata in grado di raggiungere questa pietra miliare portando in produzione la nostra tecnologia SOTB, questa rappresenta il nuovo punto di riferimento per il mercato dell’energy harvesting”, afferma Yoshikazu Yokota, Executive Vice President e General Manager della Industrial Solution Business Unit di Renesas. “Grazie alla possibilità di funzionare senza le batterie o di non sostituite le batterie, si apriranno nuovi mercati sia per i nostri clienti che per noi stessi. La tecnologia energy harvesting diventerà obbligatoria nell’evoluzione della smart society e Renesas è intenzionata ad occupare un ruolo chiave nell’espansione e nello sviluppo di questa tecnologia. Renesas continua a guardare avanti anche nel campo della intelligenza artificiale distribuita, nota come e-AI, allo scopo di includere questa tecnologia anche a livello degli endpoints che utilizzano dispositivi embedded. Guardando oltre, la nostra tecnologia SOTB ci consentirà di affrontare nuove sfide nelle quali ci sarà la necessità di combinare la richiesta di energy harvesting con la necessità di intelligenza artificiale distribuita, questo avrà un impatto positivo su grande scala nella nostra vita di tutti i giorni.”

Di seguito, le principali caratteristiche del microcontrollore R7F0E:

  • CPU: ARM Cortex M0+ 
  • Frequenza operativa: Fino a 32 MHz e fino a 64 MHz in modalità boost
  • Memoria: fino a 1,5 Mbytes di FLASH e fino a 256 kbytes di RAM
  • Consumi con alimentazione a 3.0 Volt:
    – Active: 20 µA/MHz
    – Deep Standby: 150 nA (Include real-time clock e reset manager)
    – Software Standby: 400 nA (Include l’alimentazione della CPU, di 32 kBytes di RAM, real-time clock e reset manager)
    – L’alimentazione della RAM statica (SRAM) richiede una corrente di soli 1 nA per KB, la RAM arriva fino a 256KB.
  • Energy Harvesting Controller (EHC): Interfaccia diretta e robusta sia verso le possibili sorgenti di energia sia verso i dispositivi che devono immagazzinare l’energia.
  • Analog-to-Digital Converter (ADC): Risoluzione a 14 bit, in caso di funzionamento a 32 kHz richiede una corrente di alimentazione di soli 3 µA.
  • Sezione grafica: Gestione grafica 2D ed interfaccia MIP verso il display. Gli LCD di tipo MIP (Memory In Pixel) sono display che non richiedono una sorgente di alimentazione per mantenere l’immagine mostrata durante lo stato operativo di standby, questo li rende molto adatti alle applicazioni in cui il ridotto livello di consumo è cruciale.
  • Security and Encryption: Generatore di numeri casuali (True Random Number Generator), codice identificativo unico per ogni singolo dispositivo R7F0E (unique ID), acceleratore cripto AES.

A partire dal nuovo microcontrollore R7F0E Renesas ha intenzione di espandere la linea di soluzioni per le applicazioni energy harvesting introducendo una serie di caratteristiche atte a supportare la più ampia gamma di applicazioni che richiedono un livello di basso consumo estremo. Renesas è impegnata nella promozione della intelligenza a livello di endpoint grazie alla propria tecnologia di energy harvesting per realizzare una smart society amica dell’ambiente e con livelli di prestazioni e con funzioni ancora più elevate senza la necessità di utilizzare una alimentazione esterna e senza la necessità di sostituire le batterie.

Renesas ha anche diffuso un video sul concetto di e-AI:

La tecnologia SOTB di Renesas

L’innovativa tecnologia SOTB sviluppata da Renesas consente di ottenere una significativa riduzione sia della corrente necessaria durante la modalità operativa attiva sia di quella necessaria durante la modalità operativa denominata standby. Queste caratteristiche non sono ottenibili contemporaneamente su dispositivi sviluppati utilizzando tecnologie tradizionali dove è necessario trovare il miglior compromesso tra le due.

In questo caso, nel substrato di silicio uno strato di ossido viene annegato (BOX: Buried OXide) al di sotto di un sottile strato di silicio, sul substrato del wafer. Il sottile strato di silicio non viene drogato, e questo consente di mantenere stabile l’operatività anche in caso di bassa tensione. Di conseguenza il dispositivo è in grado di fornire prestazioni elevate con un eccellente livello di efficienza energetica. Allo stesso tempo il potenziale del substrato di silicio al di sotto dello strato BOX viene controllato da un circuito di polarizzazione che riduce le correnti di leakage in modo da ridurre ulteriormente la potenza utilizzata in modalità standby.

Questa pagina consente di avere ulteriori informazioni sulle soluzioni e-AI di Renesas.

I campioni del microcontrollore R7F0E sono già disponibili per i beta customers mentre il rilascio ufficiale dei campioni è previsto per Luglio 2019. La produzione di massa è prevista per Ottobre 2019.

www.renesas.com

 

 

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