Zeit – die vierte Dimension – wird in der Diskussion über die erwartete Entstehung von Ambient Intelligence (AmI) oft übersehen. Während sich das IoT weiterentwickelt, wird Intelligenz eingesetzt, um elektronische Systeme intelligenter, vorausschauender und hilfreicher in unserem täglichen Leben zu machen. Da alltägliche Systeme viel intelligenter werden, wird unsere Umgebung sensibler und anpassungsfähiger. Ohne eine Zeitbasis werden diese Systeme jedoch nicht nützlich sein und AmI wird nicht realisiert.
Das Bedürfnis der Ambient Intelligence nach präzisem Timing
AmI baut auf Fortschritten bei Kommunikationsnetzwerken und adaptiver Software auf. Im Bereich der Hardware wird AmI Entwicklungen bei Sensoren, Prozessoren und anderen Komponenten vorantreiben, die für die Hunderte kleiner elektronischer Geräte erforderlich sind, die unsere Umgebung einbetten werden. Während Ami auf diesen Innovationen aufbaut, wird die Timing-Funktion immer wichtiger.
Ein Herzschlag ist für das Funktionieren jedes menschlichen oder elektrischen Systems unerlässlich. Uhren, die als Herzschlag des Systems fungieren, sind auf vielen Ebenen von grundlegender Bedeutung. Erstens erwecken Referenzuhren Systeme zum Leben und halten sie mit der erforderlichen Geschwindigkeit in Betrieb. Zweitens sind präzise Zeitsignale erforderlich, um sicherzustellen, dass die von den Sensoren gemessenen Informationen genau an die intelligenten Systeme weitergeleitet werden.
Zeit ist für diese Systeme von zentraler Bedeutung. So wie AmI auf Weiterentwicklungen in den übergeordneten Funktionen angewiesen ist, müssen Timing-Lösungen im Kern neuartige Technologien nutzen, damit AmI die Realität wird, die sich viele vorstellen. Technologische Fortschritte machen das Timing genauer und zuverlässiger, verbrauchen weniger Energie und sind kleiner – alles entscheidend für AmI-Systeme.
Entwicklung präziser intelligenter Systeme
Domotik oder Hausautomation ist ein Beispiel für intelligente Systeme, die heute im Einsatz sind. Damit ein Smart-Home-Steuerungssystem intelligent ist, Gewohnheiten erlernt und datenbasierte Entscheidungen trifft, die zukünftige Verhaltensweisen und Bedürfnisse vorhersehen, ist eine genaue Zeit erforderlich. Von Sensoren gesammelte Daten sind nur dann gültig, wenn die Zeitbasen synchronisiert sind, und Systeme können nur dann hilfreich sein, wenn die Abfolge der Ereignisse in der richtigen zeitlichen Reihenfolge aufgezeichnet wird. Nehmen Sie das einfache Beispiel der Auslösung eines Türsensors, um das Licht im Flur einzuschalten. Wenn die Zeitaufzeichnung des Türsensors oder Lichtschalters um mehr als einen Bruchteil einer Sekunde abweicht, lernt der Algorithmus nicht den richtigen Zeitpunkt für erforderliche Ereignisse und das Licht schaltet sich nicht zum richtigen Zeitpunkt ein.
In der heutigen vernetzten Welt wird die Genauigkeit der Echtzeituhr (RTC) immer wichtiger, und diese Bedeutung wird zunehmen, je mehr Objekte dem Internet of Everything beitreten. Schauen wir uns ein frühes Beispiel für intelligente Geräte an – den Smart Meter, der mehr Informationen und Funktionen für eine bessere Energienutzung bereitstellen soll. Wenn in diesem Fall die Uhr des Zählers zu schnell läuft oder auf dem falschen Zeitintervall für die Abrechnungstarife basiert, können etwaige Einsparungen oder Vorteile zunichte gemacht werden.
Intelligenz wird über unsere unmittelbare persönliche Umgebung hinaus eingesetzt. Beispielsweise verdeutlichen die strukturelle Überwachung von Gebäuden und Brücken oder die Ölexploration mithilfe seismischer Sensornetzwerke die Notwendigkeit einer präzisen Zeitstempelung der Messdaten zur Analyse und Vorhersage. Die Genauigkeit dieser Systeme und der von ihnen bereitgestellten Vorhersagedaten ist direkt proportional zur Genauigkeit der Zeitsynchronisation der einzelnen Knoten.
Viele der heutigen Lösungen verwenden teure und stromhungrige GPS-Empfänger oder leistungsstarke HF-Netzwerke, um die Zeit zu messen. Die Systeme von morgen werden durch neue Timing-Technologien ermöglicht, die eine hohe Präzision ohne Stromverbrauch, große Größe und hohe Kosten bieten. Diese Systeme werden Miniatur-MEMS-basiertes Präzisions-MEMS-Timing mit extrem geringem Stromverbrauch verwenden.
Die Beziehung zwischen geringer Leistung und Genauigkeit
Neben der Genauigkeit werden Ultra-Low-Power-Technologien bei der Entwicklung von AmI von entscheidender Bedeutung sein. Ein geringer Stromverbrauch ist besonders wichtig bei Echtzeituhren, die in autonomen batteriebetriebenen Systemen verwendet werden, da diese Zeitmessuhren immer eingeschaltet sind. MEMS und die sie unterstützenden CMOS-Technologien werden eine entscheidende Rolle spielen. Moderne programmierbare MEMS-kHz-Taktgeber verbrauchen Mikrowatt und verfügen über einzigartige Funktionen, um den Systemstrom weiter zu reduzieren. Darüber hinaus trägt die höhere Genauigkeit der MEMS-Uhren dazu bei, den Stromverbrauch auf Systemebene zu senken, indem die Zeit im Ruhemodus verlängert wird.
Die Bedeutung einer präzisen Zeitmessung wird bei Weck-Timern im Schlafmodus deutlich. Autonome batteriebetriebene Knoten erfordern Abschaltintervalle zwischen Rechen- und Datenübertragungen, um Strom zu sparen. In aktuellen Anwendungen ermöglichen Bluetooth Low Energy (BLE)-Chipsätze längere Ruhezeiten, um Strom zu sparen. Jeder Knoten verfügt über ein vordefiniertes Zeitfenster, in dem er mit dem Host kommunizieren muss, um die Verbindung aufrechtzuerhalten und Daten zu übertragen. Wenn die Weck- und Kommunikationsfunktionen effizienter und präziser und zeitlich präziser ausgeführt werden, wird die Systemleistung erheblich reduziert.
Die Frequenzstabilität, gemessen in ppm (parts per million), ist die Schlüsselmetrik für die Timing- Genauigkeit. Abbildung 1 zeigt 25 % Energieeinsparungen durch den Ersatz eines 200-ppm-Quarzkristalls durch einen programmierbaren 5-ppm-MEMS-TCXO (temperaturkompensierter Oszillator).
Energieeinsparungen durch einen präzisen 32-kHz-Wecktakt in BLE-Systemen
Derzeit verwenden 4G-LTE-Systeme DRX-Zyklen (Discontinuous Reception), die eine Ruhezeit von genau 1,5 µs erfordern, um Mobiltelefone mit dem Netzwerk verbunden zu halten. In einer Umgebung mit schnell wechselnden Temperaturen muss die Frequenzstabilität über einen Zeitraum von 1 bis 2 Sekunden mit einer Genauigkeit von besser als 1,5 ppm aufrechterhalten werden. Ein Verlust der Konnektivität würde zu einem hohen Overhead im HF-Verkehr und zusätzlichem Rechenaufwand für die Wiederherstellung der Verbindung zur Basisstation führen. In einer Zukunft, in der Daten nahtlos zu und von allgegenwärtigen intelligenten Geräten in Mengen übertragen werden, die weit über das heutige Maß hinausgehen, wird Konnektivität enorm wichtig.
Die Zeitmessung von 1,5 µs ist eine Herausforderung für ältere quarzbasierte Zeitmesskomponenten. In heutigen elektronischen Geräten treten Temperaturgradienten von mehr als 10 °C pro Sekunde auf. Unkompensierte 200-ppm-Quarzkristalle weisen typischerweise Temperaturschwankungen von mehr als 3 ppm pro °C auf, was zu Frequenzfehlern von mehr als 30 ppm in 1 Sekunde führt. Ein Teil dieses Effekts kann durch eine elektronische Temperaturkompensation abgemildert werden; Quarzoszillatoren sind jedoch durch die langsame thermische Kopplung zwischen dem Quarzkristallresonator und der elektronischen Temperaturkompensation begrenzt, sodass Quarz-TCXOs nicht effektiv auf schnelle Temperaturgradienten reagieren können. Im Gegensatz dazu behalten MEMS-TCXOs die Frequenzgenauigkeit bei schnellen Temperaturänderungen bei und sind eine einfache Lösung für den Umgang mit schnellen Temperaturgradienten.
Kontinuierliches Streben nach geringem Stromverbrauch und kleiner Größe
Damit intelligente Systeme weit verbreitet und in unsere Umwelt eingebettet werden können, müssen sie sehr klein sein. Mikro- und Nanotechnologien werden die erforderliche Miniaturisierung ermöglichen. MEMS-Resonatoren messen auf jeder Seite weniger als 500 µm und sind weniger als 200 µm hoch. Damit sind sie 90 % kleiner als Resonatoren auf Quarzbasis, deren weitere Größenreduzierung physikalisch begrenzt ist.
Kristallresonatorgröße (links) im Vergleich zum MEMS-Resonator (rechts)
Chiphersteller haben damit begonnen, hochpräzise MEMS-Resonatoren in ihre Produkte zu integrieren, um mehr integrierte Multi-Chip-Module (MCM) anzubieten – eine Entwicklung, die durch die MEMS-Technologie mit eingekapseltem Silizium ermöglicht wurde. Wenn der MEMS-Resonator auf dem IC gestapelt ist, verbraucht er im Zielsystem keinen Platz auf der Platine. Die Integration hat viele Vorteile, die über die Schrumpfung der Größe hinausgehen. Durch die Integration der Uhr verfügen die Geräte nicht nur über weniger externe Pins, sie verbrauchen auch weniger Strom, weisen eine bessere Leistung und Genauigkeit auf und erhöhen die Zuverlässigkeit und Manipulationssicherheit.
Technologie arbeitet zusammen
Mit der Verwirklichung der Umgebungsintelligenz wird die Zahl der in unsere Umgebung verwobenen digitalen Objekte sprunghaft ansteigen. Diese Geräte müssen sehr wenig Strom verbrauchen und durch Miniaturisierung und Integration unauffällig sein. Die MEMS-Technologie wird in Zukunft eine entscheidende Rolle spielen, da sie Systeme kleiner, zuverlässiger und stromsparender macht. Und was noch wichtiger ist: Das MEMS-Timing wird intelligente Geräte intelligenter machen, indem es sie genauer macht – eine Notwendigkeit für vorausschauende und reaktionsfähige Systeme. AmI baut auf vielen Technologien auf, die alle zusammenarbeiten, und fortschrittliche Timing-Lösungen werden im Mittelpunkt stehen.
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Vielen Dank an Markus Lutz, Gründer und CTO von SiTime, für seine Beiträge zu diesem Artikel.
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