インテリジェント照明やビルディングオートメーションに使用されるモノのインターネット (IoT) デバイスは急速に進化しており、その役割は単純な制御ノードから機能豊富な相互接続システムに移行しています。これらのシステムは、より高いコンピューティング要件、堅牢なセキュリティ パフォーマンス、およびより高い無線周波数 (RF) パフォーマンスをサポートする必要があります。この傾向に直面して、設計者は、部品表 (BOM) コストとシステムの複雑さの削減に努めながら、マルチプロトコル接続、高度なセキュリティ機能、電力効率などの多様な要件のバランスをとるというプレッシャーが増大しています。これらの新たな IoT アプリケーションの需要に対処する鍵は、高度なワイヤレス システム オン チップ (SoC) デバイスの採用にあります。
この記事の目的は、新興 IoT デバイスおよびシステムの設計者が直面する課題について詳しく説明し、その後、Silicon Labs の次世代ワイヤレス IoT SoC が超低電力アーキテクチャを通じてこれらの課題にどのように対処するかを紹介することです。このアーキテクチャは、高性能プロセッサと複数の専用サブシステムを組み合わせて、実現可能なソリューションを提供します。
多様化する要求がデバイスの高集積化への進化をどのように推進するか
LED 照明、スマート ソケット、スイッチなどのアプリケーションで使用されるライン給電スマート デバイスは、より短い開発サイクルでより豊富な機能を提供することがますます期待されています。これらのデバイスの設計者は、一連の厳しい要件に直面しています。つまり、BOM コストを厳密に管理し、継続的な動作環境におけるデバイスの予測可能な動作を確保しながら、より高度な処理能力、複数の無線規格、堅牢なセキュリティ パフォーマンスを統合する必要があります。
ワイヤレス接続の複雑さが、こうしたプレッシャーをさらに悪化させます。低エネルギー Bluetooth (BLE)、Zigbee、Thread、および Matter プロトコルはますます共存しており、単一プロトコルまたはマルチチップ アーキテクチャに基づくソリューションが複雑になっています。外部コンポーネントを通じて複数の異種プロトコルをサポートすると、開発の進行が遅くなり、効率が低下する可能性があります。したがって、IoT 設計は、Silicon Labs の SiMG301/SibG301 3 シリーズ ワイヤレス SoC などのシングルチップ ワイヤレス SoC を使用する方向に移行しています (図 1)。このタイプのチップは、アプリケーション処理、セキュリティ機能、ワイヤレス操作を 1 つのデバイスに統合します。
高度なワイヤレス IoT SoC が機能スタック全体の概略図を統合
図 1: 高度なワイヤレス IoT SoC は機能スタック全体を統合し、初期のマルチチップ ソリューションと比較して高い設計効率を実現します。 (画像出典: Silicon Labs)
これらの SoC は、高度なアーキテクチャを備えており、高性能、堅牢なセキュリティ、および柔軟な接続機能を提供し、設計者がスマート デバイスの急速に変化する要求により効果的に対応できるようにします。
統合アーキテクチャにより、新たな IoT アプリケーションの多様なニーズを満たすことができます
SixG301 シリーズは、ライン電源インテリジェント デバイスに必要なすべての機能を統合しています。ますます複雑になるコンピューティング要件を満たすために、SixG301 SoC は、デジタル信号処理 (DSP) 命令と浮動小数点演算ユニット (FPU) を備えた 150 MHz Arm Cortex-M33 プロセッサ コアをベースにしています (図 2)。プロセッサ サブシステムは、コアをオンチップのランダム アクセス メモリ (RAM)、パッケージ化されたフラッシュ メモリ、ダイレクト メモリ アクセス (DMA) コントローラ、およびデバッグ インターフェイスと組み合わせます。このアーキテクチャは、接続、セキュリティ、エネルギー管理、時計、タイマー、周辺機器 (LED 照明の専用機能を含む) 用の専用ハードウェア モジュールを通じて、スマート デバイスの包括的なサポートも提供します。
Silicon Labs の EFR32BG22 SoC アーキテクチャの概略図 (クリックして拡大)
図 2: SixG301 ワイヤレス SoC アーキテクチャは、アプリケーション処理、ワイヤレス接続、およびセキュリティを統合し、ライン電源のスマート デバイスにスケーラブルなパフォーマンスを提供し、システムの複雑さを軽減します。 (画像出典: Silicon Labs)
SixG301 シリーズは、設計者にとって、幅広い要件を満たすことができるスケーラブルなソリューションを提供します。 Bluetooth 接続を目的としたスマート デバイス設計を実現するために、SiBG301 Bluetooth SoC シリーズは、BLE、Bluetooth メッシュ ネットワーク、および独自の 2.4 ギガヘルツ (GHz) アプリケーションをサポートします。 SiMG301 マルチ プロトコル SoC シリーズは、同じ Bluetooth オプションをサポートするだけでなく、Zigbee、Matter over Thread、OpenThread などの低データ レートのワイヤレス ネットワークに適した IEEE 802.15.4 物理層 (PHY) およびメディア アクセス コントロール層 (MAC) のサポートも追加します。各シリーズでは、さまざまなモデルが追加の構成オプションも提供し、最大 512 KB の RAM と 4 MB のセキュア オンチップ実行 (XIP) クアッド チャネル シリアル ペリフェラル インターフェイス (QSPI) フラッシュ メモリを提供します。選択した構成に関係なく、SixG301 SoC シリーズのすべてのメンバーは、次世代の IoT デバイスに必要な同じコア機能を備えています。
高度な IoT アプリケーションは堅牢な接続に依存しており、SixG301 シリーズは、これらのアプリケーションに特有の高密度で干渉が起こりやすい環境でも確実に動作するように設計されています。この一連の低電力無線 (LPW) 無線 (図 3) は、無線プロセッサ コア、RAM、専用の送信および受信信号パスを統合し、完全な接続サブシステムを提供します。