gesponsertVolle Synergie unmittelbar nach der Integration Chiplets mit integrierten Analog-Digital-Funktionen – ROHM und LAPIS arbeiten gemeinsam an innovativen MCUs

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ROHM Semiconductor GmbH

Nach der Fusion mit LAPIS Technology im April 2024 beschleunigt ROHM die Entwicklung und Einführung von Produkten, die die Stärken beider Unternehmen vereinen. ROHM nennt MCUs als eine der Kategorien mit dem größten Synergiepotenzial. Eine Reihe innovativer neuer Produkte steht kurz vor der Markteinführung. Dazu gehören eine MCU für Stromversorgungen mit integrierter Analog-Digital-Steuerung, die das Beste aus beiden Topologien nutzt, ein Produkt mit Chiplets und ein Modell, das maschinelles Lernen und Inferenz auf einem Chip ausführen kann.

Am 1. April 2024 fusionierte ROHM mit seiner hundertprozentigen Tochtergesellschaft LAPIS Technology zum „neuen“ ROHM. Die Kombination der Stärken von ROHM im Bereich der Analog-/Leistungshalbleiter mit dem Fachwissen von LAPIS Technology auf dem Gebiet der Logik/MCUs resultiert in einer robusten Managementstruktur, die in der hart umkämpften Halbleiterindustrie mit ihrem sich stark verändernden Geschäftsumfeld erfolgreich sein wird. ROHM wird die Entwicklung und Einführung von Produkten beschleunigen, die die Technologien beider Unternehmen nutzen.

Ein Paradebeispiel für solche Produkte sind MCUs. Hiroyuki Fukuyama, General Manager der LSI Business Division von ROHM und der LSI Business Unit von LAPIS, betont, dass MCUs die Kategorie sind, die am ehesten von der Integration profitieren wird. In diesem Artikel stellen wir drei neue MCUs mit einzigartigen Merkmalen vor, die ab 2024 ausgeliefert werden sollen.

Digital gesteuerte Stromversorgungen für den mittleren Leistungsbereich

Die LogiCoA™* MCU von ROHM für die Steuerung von Stromversorgungen integriert die notwendigen analogen und digitalen Schaltungen in einem einzigen Chip. Dadurch ist es möglich, die gleiche Funktionalität wie bei digital gesteuerten Stromversorgungen zu erreichen, bei geringerer Stromaufnahme und niedrigeren Kosten als bei analogen Stromversorgungen.

Für Stromversorgungen gibt es zwei Arten der Steuerung: die analoge, bei der ein analoger Controller verwendet wird, und die vollständig digitale, bei der eine MCU oder ein anderes digitales Bauelement zum Einsatz kommt. Die vollständig digitale Steuerung ermöglicht zwar eine präzise Steuerung, erfordert jedoch eine Hochgeschwindigkeits-CPU/DSP, die kostspielig ist und viel Strom aufnimmt.

Daher wird sie häufig in Anwendungen mit hohem Leistungsbedarf (1 kW oder mehr) eingesetzt, wie zum Beispiel in Solaranlagen und Elektrofahrzeugen, bei denen die Ausgangsleistung stark schwankt und eine analoge Steuerung allein nicht ausreicht. Abgesehen von diesen Anwendungen sind analoge Steuerungen für Stromversorgungen, die sich durch niedrige Kosten und geringen Stromverbrauch auszeichnen, im niedrigen bis mittleren Leistungsbereich (50 W bis 1-kW-Klasse) weit verbreitet. Beispiele hierfür sind in PCs, Roboter, Fabrikautomation (FA) und Produktionsanlagen. Mit analogen Halbleitern konfigurierte Schaltungen lassen sich jedoch nur schwer ändern, wenn die Schaltung einmal aufgebaut ist. Dies kann bei der Entwicklung von Produktderivaten ein Hindernis darstellen.

Der Grund dafür ist, dass eine bestehende Stromversorgungsschaltung nicht weiter verwendet werden kann. Laut Fukuyama sind analog gesteuerte Stromversorgungen für eine bestimmte Anwendung optimiert. Deshalb machen selbst geringfügige Änderungen der Anforderungen, z. B. an die Versorgungsspannung oder die Ausgangsleistung, eine Neuanpassung der Stromversorgungsschaltung erforderlich. Dies stellt eine erhebliche Belastung für die Entwickler dar.

Ein weiteres Problem ist die Effizienz der Leistungsumwandlung (AC-DC). Die analoge Steuerung ermöglicht keine Feineinstellung des Ausgangs entsprechend der verwendeten Leistung. Beispielsweise werden Roboterarme in der Regel so entwickelt, dass sie bei der „maximal erforderlichen Leistung“ eine möglichst hohe Effizienz aufweisen. Das ist unabhängig davon, ob der Arm große Entfernungen (hohe Leistung) oder kleine Entfernungen (geringe Leistung) zurücklegt. Die Folge ist, dass der Wirkungsgrad beim Betrieb mit geringer Leistung schlecht wird.

Aus diesen Gründen steigt die Nachfrage nach digital gesteuerten Stromversorgungen in industriellen Geräten im niedrigen bis mittleren Leistungsbereich. Wie bereits erwähnt, gibt es jedoch Herausforderungen in Bezug auf Stromaufnahme und Kosten. Die LogiCoA™ MCU wurde entwickelt, um diese Probleme zu lösen. Zusätzlich zu einer kostengünstigen Low-Speed-CPU sind ein 3-Kanal-Analogkomparator und ein D/A-Wandler für die digitale Parametersteuerung integriert. Die Änderung der Parameter des MCU-Programms auf einem PC erleichtert die Anpassung der Ausgangsleistung und anderer Einstellungen. Im Falle des Roboterarms kann die Ausgangsleistung je nach Bedarf dynamisch angepasst und so die Effizienz verbessert werden.

Gleichzeitig wird die Wiederverwendung von Schaltungen vereinfacht. Da die analogen Komponenten unverändert bleiben, erfolgt die Anpassung der Spannungs- und Stromwerte durch einfache Änderung der MCU-Parameter. Die Wiederverwendung von analogen Schaltungen erleichtert die Entwicklung von Produktderivaten. Angesichts der Notwendigkeit, die Entwicklungszeiten zu verkürzen, könnte dies für Entwickler einen erheblichen Vorteil darstellen.

ROHM stellt die Software für den LogiCoA™ als Referenzdesign zur Verfügung, das je nach Applikation des Anwenders bis zu einem gewissen Grad angepasst werden kann. „Die Kunden können dann sofort mit der Nutzung beginnen, indem sie einfach die Parameter entsprechend den Anforderungen ändern.“

Vollständig digital gesteuerte Stromversorgungen erfordern sehr teure Hochleistungs-MCUs. Die LogiCoA™ MCU wurde für die Bedürfnisse derjenigen entwickelt, die eine präzisere Leistungssteuerung ohne hohe Kosten anstreben.

ROHM geht davon aus, dass die LogiCoA™ MCU die Palette der Bauelemente erweitern wird, die von der digitalen Steuerung im kleinen bis mittleren Leistungsbereich profitieren können.

Die Massenproduktion von LogiCoA™-MCUs begann im Juni 2024.

LASCA™ Chiplets

Beim zweiten Produkt handelt es sich um eine neue MCU-Marke, die die proprietäre Chiplet-Technologie namens LASCA™ (LApis Scalable Chiplet Architecture) nutzt. Diese Technologie kombiniert in einem einzigen Gehäuse einen hochleistungsfähigen MCU-Chip, der auf dem 22-nm-Prozess basiert, mit einem leistungsstarken Analogchip für Spezialanwendungen, der auf dem 130-nm/150-nm-Legacy-Prozess aufbaut.

LASCA™ wurde entwickelt, um den Zeit- und Kostenaufwand für ein SoC-Design zu reduzieren. Die Entwicklung eines System-on-Chip (SoC) mit demselben 22-nm-Prozess wie die in LASCA™ integrierte MCU würde mehrere Jahre Entwicklungszeit und enorme Kosten nach sich ziehen.

Beim Einsatz fortschrittlicher Verfahren ist eine gewisse Massenproduktion erforderlich, um Kostenvorteile zu erzielen. Solche Anwendungen sind insbesondere im industriellen Sektor begrenzt.

Durch alleinige Anpassung des analogen Chips kann die LASCA™ MCUs mit der Funktionalität von 22-nm-SoCs erreichen und gleichzeitig die Entwicklungszeit und -kosten erheblich reduzieren. „Da nur die Entwicklung eines kundenspezifischen Chips erforderlich ist, könnte die Entwicklungszeit auf weniger als ein Jahr verkürzt werden. Außerdem ist das Risiko geringer als bei der Entwicklung einer MCU von Grund auf.“

Und als Mehrwert im Vergleich zu 22-nm-SoCs, die in einem einzigen Prozess hergestellt werden, besteht die Möglichkeit, leistungsstarke Hochspannungs-Analogschaltungen zu integrieren. Dies unterstützt die Integration von 5-V-fähigen AD/DA-Wandlern, Hochspannungs-Sensorsteuerungen für AFE-Schaltungen (Analog Front End) und sogar von Hochspannungs-Prozess-Gate-Treibern.

Der MCU-Chip enthält einen Arm Cortex-M33-Kern mit einer Betriebsfrequenz von 300 MHz und bis zu 1 MB MRAM. „Außerdem ist eine Vielzahl von Funktionen integriert, die für zusätzliche Vielseitigkeit sorgen. Die Idee ist, einen 22-nm-SoC zu entwickeln und gleichzeitig die Entwicklungskosten erheblich zu senken.“

Als erstes Produkt der LASCA™-Serie hat ROHM eine MCU mit einem analogen Chip entwickelt, der für die Motorsteuerung in Verbraucher- und Industrieanwendungen optimiert ist. Er unterstützt den Betrieb mit einer 5-V-Stromversorgung und bietet eine Hochgeschwindigkeits-Rückkopplungssteuerung, die die Energieeffizienz des Systems verbessert. Der analoge 5-V-Chip zeichnet sich durch eine hervorragende Rauschfestigkeit aus. In Zukunft wird ROHM die LASCA™-Produktpalette weiter ausbauen und um analoge Chips ergänzen, die für Kundenanwendungen optimiert sind.

Die Chiplet-Technologie bietet auch für ROHM erhebliche Vorteile. Durch die Verwendung von Prozessen, die sowohl für MCUs als auch für analoge Chips geeignet sind, können die gesamten Herstellungskosten gesenkt werden. In Zukunft ist es sehr wahrscheinlich, dass für MCUs fortschrittliche Prozesse jenseits von 22 nm zum Einsatz kommen.

Muster der ersten LASCA™-Produkte werden im Herbst 2024 verfügbar sein, die Massenproduktion ist für das Frühjahr 2025 geplant.

KI-MCU – maschinelles Lernen und Inferenz auf einem Chip

Das dritte Produkt, eine „Standalone KI-MCU“, ist eine Ein-Chip-Lösung, die den extrem stromsparenden KI-Chip von ROHM mit einer 32-Bit-Arm-MCU kombiniert. Wie der Name „Standalone“ andeutet, kann diese MCU maschinelles Lernen und Inferenz unabhängig durchführen.

Der KI-Chip ist mit einem Hardware-Beschleuniger von ROHM ausgestattet, der auf einem „On-Device-Lernalgorithmus“ basiert. Dieser wurde entwickelt von Professor Hiroki Matsutani von der Abteilung für Informations- und Computerwissenschaften der Fakultät für Wissenschaft und Technologie der Keio-Universität. Maschinelles Lernen und Inferenz sind bei einer extrem niedrigen Stromaufnahme von nur einigen zehn mW möglich. ROHM kündigte diesen KI-Chip im September 2022 als „Solist-AI™“ an. Bei der Standalone-KI übernimmt der KI-Chip die mit maschinellem Lernen verbundene Verarbeitung, während die Arm MCU wichtige Aufgaben wie die Steuerung von Fabrikautomatisierungsanlagen durchführt.

Diese Standalone-KI-MCU ist in erster Linie für vorbeugende Instandhaltungsmaßnahmen in Industrieanlagen vorgesehen, zum Beispiel in der Fabrikautomation (FA). Je nach Standort werden FA-Anlagen in Fabrikumgebungen mit unterschiedlichen Temperaturen und Vibrationen betrieben. Die Nachrüstung von FA-Anlagen mit der Standalone-KI-MCU ermöglicht Anwendern die Erfassung von Strom- und Schwingungsdaten sowie von anderen Parametern. Diese bilden die Grundlage für die Ausgabe von Warnungen, wenn ein ungewöhnliches Verhalten festgestellt wird. Viele Fabriken zögern jedoch, sich mit der Cloud zu verbinden. Sie haben Bedenken hinsichtlich Sicherheit, Latenz und Kommunikation. „In solchen Umgebungen ist die Möglichkeit, nicht nur Schlussfolgerungen zu ziehen, sondern auch direkt auf dem Bauelement zu lernen, ein großer Vorteil“, so Fukuyama.

Die Auslieferung von Mustern der Standalone-KI-MCU soll im Herbst 2024 beginnen.

„Die hier vorgestellten MCUs sind allesamt innovative Produkte, die die gemeinsamen Stärken von ROHM und LAPIS Technology nutzen. Die Ergebnisse der Integration der beiden Unternehmen sind bereits sichtbar“, sagt Herr Fukuyama. „LAPIS Technology bietet eine breite Produktpalette an, darunter auch Kommunikations-ICs. MCUs sind jedoch die Produkte, die die größten Synergien mit den Leistungs- und Analogtechnologien von ROHM bieten. Deshalb werden wir die Entwicklung und Markteinführung dieser Produkte in Zukunft weiter beschleunigen", so Fukuyama weiter.

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