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Mehr Rechenleistung bei weniger Stromverbrauch: STMicro hat die neue Top-Serie STM32U5 seiner Ultra-Low-Power-Controller vorgestellt. Besonderen Wert legt der Hersteller auch auf die Cybersicherheit der Bausteine.
Industrielle Sensoren, medizinische Geräte, Wearables oder Heimautomatisierungsgeräte haben eines gemeinsam: Sie sollen bei einer definierten benötigten Rechenleistung möglichst wenig Strom verbrauchen. STMicroelectronics (STMicro), der weltweit zweitgrößte Anbieter von Mikrocontrollern nach Renesas, hat für solche Anwendungen die STM32U5-Serie mit derzeit 24 Varianten entwickelt.
Der STM32U5 ist nach eigener Interpretation das neue Flaggschiff des eigenen Portfolios an Ultra-Low-Power-MCUs und erreicht mit einer maximalen Taktfrequenz von 160 MHz bis zu 240 DMIPS und 535 Punkte im ULPMark Core Profile Benchmark. Wie alle STM32-MCUs basieren die neuen Komponenten auf den sehr energieeffizienten Cortex-M-Prozessoren des IP-Entwicklers ARM.
Konkret kombiniert STMicro einen Cortex-M33-Kern mit proprietären Stromsparfunktionen. Die Trustzone von ARM umfasst nach eigenen Angaben auch erweiterte Cybersicherheitsfunktionen mit neuen, hardwarebasierten Schutzfunktionen gemäß PSA und SESIP (Security Evaluation Standard for IoT Platforms) Assurance Level 3 sowie dedizierte Grafikbeschleuniger. FMAC- und Cordic-Blöcke beschleunigen mathematische Berechnungen.
Mit den neuen MCUs will STMicro seine Erfolgsgeschichte der letzten zwei Jahrzehnte fortschreiben: „Mit den Universal-MCUs konnten wir unseren Marktanteil heute auf über 20 % ausbauen – ausgehend von 2 % im Jahr 2007“, sagt Yvon Gourdou , Application Marketing Director EMEA von STMicro. Automobil-MCUs sind in dieser Betrachtung nicht enthalten. „Wir sind besonders stark im Ultra-Low-Power-Segment und haben einen Marktanteil von rund 25 %“, ergänzt Ricardo de Sa Earp, Group Vice President und General Manager der Microcontroller Division bei STMicroelectronics.
STM32U5 sind die ersten STM32-MCUs, die von STMicro im 40-nm-Verfahren hergestellt werden. Dieses Herstellungsverfahren eignet sich nach eigenen Angaben insbesondere für Mikrocontroller, die sowohl in den dynamischen Betriebsmodi als auch in den Stromsparmodi auf besonders geringen Energieverbrauch ausgelegt sind.
Der Hersteller hat die neuen Mikrocontroller mit einem neuartigen Low Power Background Autonomous Mode (LPBAM) ausgestattet, bei dem die DMA-Funktion (Direct Memory Access) und die Peripherie in Betrieb bleiben, während der Großteil der Komponente abgeschaltet wird. Durch die fein abgestufte Steuerung der Betriebsarten kann ein Teil des Speichers abgeschaltet werden, sodass keine ungenutzten Zellen versorgt werden müssen. „Der M33-Kern wird für viele Aufgaben nicht benötigt, beispielsweise für das regelmäßige Sammeln von Daten von Peripheriekomponenten. Dieser bleibt daher länger inaktiv“, sagt Bertrand Denis, Product Marketing Manager für STM32-MCUs. Dadurch könnte der Stromverbrauch um bis zu 90 % gesenkt werden.
Zudem sind laut STMicro bewährte Features der bisherigen Ultra-Low-Power-MCUs STM32L0, STM32L4 und STM32L5 integriert, wie zum Beispiel dynamische Spannungsskalierung, die den Energieverbrauch je nach Verarbeitungsaufgabe optimiert, und der ST ART Accelerator für effizientes Lesen des Flash-Speichers. Ein Update des ST ART Accelerator erlaubt nun neben dem internen Speicher des Mikrocontrollers auch das Auslesen von externem Flash-Speicher.
Im Chip sind ein DC/DC-Wandler und ein Low-Dropout-Regler (LDO) parallel geschaltet und dynamisch anwählbar. Mit all diesen Maßnahmen sollen die STM32U5-MCUs in der Lage sein, ihre dynamische Leistungsaufnahme auf unter 19 µA/MHz zu reduzieren.
Je nach Modell integriert STMicro bis zu 2,0 MByte On-Chip-Flash sowie eine schnelle Schnittstelle zum Anschluss von externem Speicher. Bis zu 0,5 MByte des On-Chip-Flash-Speichers sind nun für bis zu 100.000 Lese-/Schreibzyklen ausgelegt, um die zuverlässige Speicherung der Nutzdaten zu gewährleisten. Wie der On-Chip-Flash unterstützt auch der Arbeitsspeicher (RAM) ECC (Error Correction Code).
Dank eines schnellen 14-Bit-A/D-Wandlers (ADC) können Entwickler die MCU gut für Sensing- und Tracking-Anwendungen nutzen. Ein Multifunktions-Digitalfilter (MDF) und ein Audio-Digitalfilter (ADF) erweitern laut Hersteller die Fähigkeiten des bewährten DFSDM (Digital Filter for Sigma-Delta Modulator). Diese Filter sollen die Erkennung von akustischen Ereignissen verbessern und Anwendern die Möglichkeit geben, KI-Funktionen in kostengünstigen und energiesparenden Mikrocontroller-Anwendungen zu nutzen.
Wie ihr Vorgänger, der STM32L5, nutzt die STM32U5-Serie die TrustZone-Funktionen des ARM-Kerns. Außerdem sind ST-spezifische Sicherheitsfeatures integriert. Dazu gehören die AES-Verschlüsselung und die Public Key Authorization (PKA), die mittels DPA (Differential Power Analysis) hardwaremäßig gegen Seitenkanalangriffe geschützt sind. Die Daten werden mit Hilfe eines Hardware Unique Key (HUK) geschützt und der STM32U5 soll Manipulationsversuche erkennen können. Die interne Überwachung mit der Möglichkeit, geheime Daten bei Störangriffen zu löschen, hilft bei der Einhaltung des PCI Security Standards Council (PCI SSC) für PoS-Anwendungen (Point of Sale). Die Kryptofunktionen sind optional erhältlich.
STMicro legte großen Wert auf die Integration der neuen MCUs in das bestehende, umfassende Tool-Ökosystem. Aktuell integriert der Hersteller Microsofts Azure RTOS in seine eigene STM32Cube Software Suite, inklusive Konfigurationsfeatures in den Tools STM32CubeMX und STM32CubeIDE. „Dadurch können Industriezertifizierungen schneller genutzt werden“, sagt Gourdou. Entwickler können das B-U585I-IOT02A Discovery Kit für einen schnellen Einstieg verwenden. „Es unterstützt energiesparende Kommunikation, multimodale Sensorik und direkte Anbindung an Cloud-Server – und damit eine Vielzahl von Anwendungen“, sagt Denis. Neben WLAN- und Bluetooth-Modulen verfügt STMicro über integrierte Mikrofone, Temperatur- und Feuchtigkeitssensoren, Magnetometer, Beschleunigungssensoren und Drehratensensoren sowie Druck-, Flugzeit- und Gestenerkennungssensoren.
Laut STMicro sind Muster der STM32U5-MCUs bereits für führende Kunden erhältlich. Die Serienproduktion soll im September 2021 beginnen, zu Preisen ab 3,60 US-Dollar.
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