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Bauelemente wie System-on-Chip (SoC) oder System-in-Package (SiP) vereinen verschiedene Funktionen in sich und ermöglichen den einfachen Zugang zu innovativen Halbleitertechnologien.

Die Halbleitertechnologie ist heute die wichtigste Schlüsseltechnologie für Innovationen und Digitalisierung. Neue Entwicklungen in der Chiptechnologie machen mikroelektronische Systeme immer günstiger, leistungsfähiger und energieeffizienter. Intelligente Sensorlösungen und maßgeschneiderte Kommunikationstechnologien bilden die Basis des Internets der Dinge – so entstehen neue Produkte, Geschäftsmodelle und Services, die Lösungen für die Herausforderungen unserer Gesellschaft versprechen.

Die Zahl der mit dem Internet verbundenen Geräte, einschließlich der Maschinen, Sensoren und Kameras, die das Internet der Dinge (IoT) ausmachen, wächst in einem stetigen Tempo. Eine neue Prognose der International Data Corporation (IDC) schätzt, dass es im Jahr 2025 41,6 Milliarden angeschlossene IoT-Geräte oder „Dinge“ geben wird, die 79,4 Zettabytes an Daten erzeugen.

„Die Welt um uns herum wird immer ‚sensorisierter‘ und bringt neue Ebenen der Intelligenz und Ordnung in persönliche und scheinbar zufällige Umgebungen. Die Geräte des Internet der Dinge sind ein integraler Bestandteil dieses Prozesses“, sagt David Reinsel, Senior Vice President, IDC’s Global DataSphere.

Mit der Digitalisierung der Welt ziehen immer kürzere Produktlebenszyklen bei gleichzeitig zunehmender Variantenzahl, wie man sie in der IT-Branche schon lange gewöhnt ist, jetzt auch in alle anderen Branchen ein. Doch die Entwicklung eines neuen Hardwareprodukts ist aufwendig und birgt viele Unwägbarkeiten, die die Entwicklungszeit erheblich verlängern, den Start verzögern und Unternehmen viel Geld kosten könnten. Die Programmierung von IoT-Bausteinen zum Sammeln und Senden von Sensormesswerten an die Cloud dauert zum Beispiel in der Regel Monate und erfordert sehr qualifizierte Fachleute.

Große Unternehmen können ihre Entwicklungsabteilungen mit dem entsprechenden Knowhow und der erforderlichen personellen Bandbreite ausstatten. Aber Start-ups und Einzelunternehmer können auf diese Ressourcen nicht zurückgreifen.

Verschiedene Funktionen integriert

Dennoch bringen gerade kleine dynamische Unternehmen zunehmend innovative IoT-Geräte und smarte Produkte auf den Markt. Das ist auch der Halbleiterindustrie zu verdanken. Sie bietet heute nicht mehr nur reine Mikroprozessoren an, sondern liefert auch vorgefertigte Bausteine, die bereits über viele Funktionalitäten für verschiedene Anwendungen verfügen. Solche Bausteine werden als System-on-Chip (SoC) oder System-in-Package (SiP) beschrieben.

Ein System-on-Chip vereint sämtliche Funktionen eines Systems auf einem Chip, zum Beispiel CPU, Signalprozessor, Grafikprozessor, Sicherheitselement sowie Konnektivität. So lassen sich kleinere Baugrößen und eine höhere Performance erreichen sowie Kosten und Energieverbrauch senken. Darüber hinaus kann ein SoC eine höhere Designsicherheit auf Firmware- und Hardwareebene bieten. Besonders die Reduzierung der Kosten durch SoC sorgt zudem dafür, dass sich heute nahezu jedes Gerät beziehungsweise Produkt mit Intelligenz ausrüsten lässt.

Kosten und Time-to-Market sinken

Während das System-on-Chip ein einzelner Chip ist, der die komplette Elektronik enthält, besteht ein System-in-Package (SiP) aus einzelnen Chips, die in einem Package untergebracht sind. Dabei verfügen sie jeweils über spezifische Funktionalitäten. Das Ergebnis sind „dreidimensionale“ Chips, die zu einer wesentlichen Platzersparnis und zu niedrigeren Montagekosten führen. „System-in-Package“-Lösungen eignen sich insbesondere für kundenspezifische Lösungen, die auch bei kleinen und mittleren Stückzahlen wirtschaftlich gefertigt werden können.

Ein weiterer Vorteil ist, dass sich das Package ideal an die Anwendungsumgebung anpassen lässt. „SiPs bieten mehrere Vorteile …“, so Santosh Kumar von dem Marktforschungsunternehmen Yole. „Dazu gehören die Reduzierung des Formfaktors, eine erhöhte Leistung, funktionale Integration mit Schutz vor elektromagnetischen Interferenzen, Designflexibilität im Vergleich zu SoCs und niedrigeren Kosten.“

Module aus vorkonfigurierten Baugruppen

Gleich ob SoC oder SiP – will ein Hersteller sein Produkt mit einer intelligenten Funktion ausstatten oder in das Internet der Dinge einbinden, benötigt er immer noch hochintegrierte Technologien, deren Eigenentwicklung für viele Unternehmen zu aufwendig, langwierig und teuer ist. Eine Lösung bieten hier komplett vorkonfigurierte Baugruppen. Sie verfügen nicht nur über die entsprechenden Halbleiterelemente, sondern über alle benötigten Komponenten, um eine bestimmte Funktion zu erfüllen.

Ein Beispiel dafür ist das Telekommunikationsmodul Heracles von EBV Elektronik. Es vereint ein komplettes Quad-Band GSM/GPRS-Modul und eine Prepaid-SIM-Karte. Es bietet Abdeckung und nahtlosen Zugang zum Mobilfunknetz von Orange sowie zu Tier-1-Roaming-Netzwerken in 33 europäischen Ländern. Durch die Vorintegration der Konnektivität in der elektronischen Designphase wird der Design- und Herstellungsprozess für die Objekthersteller stark vereinfacht. Die Lösung eignet sich ideal für alle Hersteller von IoT-Objekten – sei es für Automobil-, Tracking-, Mess-, Industrie- oder Wearables- Anwendungen.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 4/2021 (Download PDF)

Seit Ende 2020 wird das Modul zudem mit IT-Security und einem integrierten Mikroprozessor verfügbar sein, mit dem sich zum Beispiel schnell ein Sensorknoten im Narrow-Band-IoT beziehungsweise LTE-M realisieren lässt. Die Verfügbarkeit von sehr preisgünstigen Computern wie dem Raspberry Pi 4 in Form von Modulen ermöglicht es Herstellern, Start-ups und sogar softwareorientierten Unternehmen, ihre Prototypen und Proofs of Concept bis zur industriellen Produktion zu skalieren.

Kunden können mit dem einsatzbereiten Raspberry Pi 4 Board-Prototypen erstellen und Software entwickeln. Anschließend können sie ihr eigenes System entwerfen, unter Verwendung des RPI-Computermoduls und aller für ihre spezifische Anwendung erforderlichen Peripheriegeräte, Kommunikations- und Schnittstellen. Das ist eine wirkliche Demokratisierung der Spitzentechnologie.

* Frank-Steffen Russ ist Senior Director Market Segments bei EBV Elektronik.

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