Будущее микроконтроллеров в носимых технологиях

Эволюционирующее сердце носимых устройств: как микроконтроллеры питают следующее поколение интеллектуальных устройств

От гладких фитнес-полос на запястье до умных колец, отслеживающих ваш сон, носимые технологии перешли от новизны к необходимости. Центральным для каждого из этих устройств - будь то патч для здоровья, гарнитура дополненной реальности или голосовая наушница - является микроконтроллер (MCU). Этот крошечный автономный компьютер управляет датчиками, обрабатывает данные, контролирует дисплеи и управляет беспроводной связью. Будущее носимых устройств напрямую зависит от эволюции этих микроконтроллеров. По мере того, как требования к меньшим форм-факторам, большему сроку службы батареи и большему интеллекту усиливаются, индустрия MCU переживает тихую революцию. В этой статье рассматриваются критические тенденции, новые приложения и проблемы проектирования, которые определят следующее десятилетие носимых микроконтроллеров.

Микроконтроллеры против микропроцессоров в носимых устройствах

Прежде чем погрузиться в будущие тенденции, важно понять, почему микроконтроллеры, а не полномасштабные микропроцессоры, являются доминирующей вычислительной платформой в носимых устройствах. В отличие от систем на чипе (SoC) смартфона, требующих внешней оперативной памяти, хранения и управления питанием, MCU интегрирует процессорные ядра, память и программируемые периферийные устройства ввода-вывода на одном чипе. Эта интеграция обеспечивает более низкое энергопотребление (часто в диапазоне микроампер), меньший размер и более низкую стоимость - критические факторы для устройств, которые должны работать в течение нескольких дней или недель на крошечной батарее. В то время как высокопроизводительные умные часы, такие как Apple Watch, используют процессоры приложений, подавляющее большинство носимых устройств - от непрерывных мониторов глюкозы до умной одежды - полагаются на специализированные MCU. Будущее увидит размытие линий с гибридными чипами, которые сочетают эффективность MCU с ускорением ML.

Движущие силы: ключевые тенденции, меняющие дизайн микроконтроллеров

Экстремальная миниатюризация и расширенная упаковка

Носимые устройства сокращаются. Слышащие устройства (ухотные устройства) и интеллектуальные кольца требуют компонентов меньше 2x2 миллиметров. Производители микроконтроллеров реагируют с передовыми методами упаковки, такими как упаковка на уровне пластин чипов (WLCSP) и система в упаковке (SiP), которые интегрируют пассивные устройства, кристаллы и даже датчики в единый пакет. Например, Apollo4 Blue Plus от Ambiq использует 2,5 x 2,5 мм BGA-пакет, все еще обеспечивая ядро Cortex-M4F, 2 МБ MRAM и Bluetooth 5.1. Будущие MCU будут включать 3D-складку матриц, позволяя памяти и аналоговым блокам быть слоистыми вертикально, уменьшая площадь и увеличивая возможности. Это позволит новые носимые форм-факторы - подумайте об умных контактных линзах или ультратонких участках кожи.

Ультранизкая мощность и сбор энергии

Святой Грааль носимого дизайна - это устройство, которое никогда не нуждается в замене батареи. Микроконтроллеры приближаются к этой цели благодаря сочетанию технологических процессов и архитектурных инноваций. Промышленность движется от 40 нм до 28 нм полностью истощенного кремниевого изолятора (FD-SOI) и даже 22 нм процессов, резко уменьшая ток утечки. Кроме того, такие функции, как потолочная работа (как впервые было предложено такими компаниями, как Ambiq) позволяют ядрам работать при 0,4 В или ниже, что приводит к простому извлечению нановатт в спящем режиме. Уборка энергии также становится практичной. Новые MCU могут работать непосредственно от термоэлектрических генераторов (тепло тела), фотоэлектрические элементы (свет в помещении) или сбор энергии RF (из WiFi или мобильных сигналов). Например, CC2650 от Texas Instruments может запускать простые узлы датчиков исключительно на собранной энергии. Следующий рубеж - это настоящие носимые устройства без батарей, которые работают бесконечно, полагаясь на суперконденса

Встроенное машинное обучение и Edge AI

Возможно, наиболее преобразующей тенденцией является интеграция вывода машинного обучения (ML) непосредственно в микроконтроллер. Вместо потоковой передачи необработанных данных датчиков в облако для обработки, которая истощает батарею и вызывает проблемы с конфиденциальностью, носимые устройства теперь могут классифицировать жесты, обнаруживать аритмии или распознавать голосовые команды локально. Технология Helium ARM (расширение вектора M-профиля), векторные расширения RISC-V и специализированные нейронные процессоры (NPU), такие как чипы Syntiant [[FLT: 1]] Synaptics, обеспечивает эффективное выполнение небольших нейронных сетей. [[FLT: 2]] TensorFlow Lite Micro [[FLT: 3]] теперь поддерживает MCU всего лишь 2 КБ ОЗУ. На практике это означает, что фитнес-полоса может различать ходьбу, бег и плавание без отправки данных на телефон, экономя мощность и позволяя коучинг в реальном времени. Будущие MCU будут включать выделенные аппаратные ускорители для ключевых операций ML (конволюции, глубинные операции, транс

Расширенная беспроводная связь: LE Audio, UWB и 5G NB-IoT

Соединение является основой любого носимого устройства. Bluetooth Low Energy (BLE) остается доминирующим, но будущее - это мультипротокол. Bluetooth 5.2 и 5.3 приносят LE Audio, который позволяет использовать многопотоковое аудио, поддержку слуховых аппаратов и меньшую задержку. Это имеет решающее значение для слуховых аппаратов и интеллектуальных очков. Технология сверхширокополосной (UWB), используемая в AirTag от Apple, позволяет отслеживать местоположение на сантиметр, открывать варианты использования для отслеживания активов в носимых устройствах (например, для отслеживания интеллектуальных часов LTE для детей или пожилых людей). Для носимых устройств с сотовым подключением (например, смарт-часы LTE для детей или пожилых людей), 5G NB-IoT и LTE-M обеспечивают низкую мощность широкополосного подключения. Микроконтроллеры интегрируют эти радиостеки напрямую, уменьшая потребность в отдельных чипах модема. Будущие MCU будут действовать как однокристальное решение: вычислительное ядро, память, ускоритель ML и

Новые домены приложений, работающие на MCU следующего поколения

Мониторинг состояния здоровья: за пределами частоты сердечных сокращений

Современные носимые устройства отслеживают частоту сердечных сокращений, шаги и продолжительность сна. МЦУ следующего поколения с более высокими возможностями слияний с датчиками позволят непрерывный мониторинг артериального давления с помощью сигналов PPG и ЭКГ, неинвазивный мониторинг глюкозы, отслеживание лактата и гормональные биомаркеры. Такие компании, как Valencell и Rockley Photonics разрабатывают оптические модули, которые могут управляться маломощными МЦУ для выполнения спектроскопии. Ключевая задача заключается в обработке огромных объемов данных от многоволновых PPG, биоимпеданса и температурных датчиков в режиме реального времени. Будущие МЦУ с выделенными блоками цифровой обработки сигналов (DSP) и аппаратными ускорителями для FFT и банков фильтров сделают это возможным при сохранении мощности до 50 мкВт. Это может революционизировать управление хроническими заболеваниями, позволяя диабетикам непрерывно контролировать глюкозу без уколов пальцев или гипер