Angesichts dieser Realität stehen Ingenieure vor einer wiederkehrenden Herausforderung: Wie lassen sich bestehende Plattformen modernisieren, ohne die Hardware komplett neu zu entwickeln? Eine der effektivsten Lösungen ist der Einsatz von Hybrid-Mikrocontrollern – Bausteinen, die verschiedene Verarbeitungsarchitekturen und Funktionsbereiche auf einem einzigen Chip vereinen können.
Die Notwendigkeit der Modernisierung bestehender eingebetteter Systeme:
Viele eingebettete Systeme wurden für spezifische Aufgaben mit begrenzten Rechenressourcen und relativ einfachen Verbindungsanforderungen entwickelt. Die Integration neuer Funktionen erfordert jedoch häufig:
Fortschrittliche drahtlose Kommunikation,
industrielle Ethernet-Konnektivität,
hardwarebasierte Sicherheit,
Echtzeitverarbeitung,
lokale Datenanalysefunktionen,
Firmware-Updates per Fernzugriff und
Kompatibilität mit Cloud-Plattformen.
In vielen Fällen reichen die Ressourcen des ursprünglichen Prozessors nicht aus, um diese neuen Funktionen ohne Beeinträchtigung der Leistung der Hauptanwendung zu bewältigen.
Eine vollständige Systemneuentwicklung ist mit hohen Entwicklungskosten, neuen Zertifizierungen, Softwarevalidierungen und potenziellen Produktionsausfällen verbunden. Daher suchen Hersteller nach Alternativen, um die Lebensdauer ihrer aktuellen Plattformen zu verlängern.
Was ist ein Hybrid-Mikrocontroller?
Ein Hybrid-Mikrocontroller integriert verschiedene Prozessorkerne oder spezialisierte Funktionsbereiche in einem einzigen Schaltkreis. Die gängigste Kombination umfasst:
Hochleistungskerne für rechenintensive
Aufgaben, Echtzeitkerne für kritische Anwendungen,
dedizierte Sicherheitssubsysteme,
Beschleuniger für die Kommunikation und
energiesparende Einheiten.
Diese Architektur ermöglicht die Verteilung von Arbeitslasten gemäß spezifischer Anforderungen und optimiert gleichzeitig Leistung, Energieeffizienz und Zuverlässigkeit.
Während beispielsweise ein Kern komplexe Analyse- oder Verbindungsalgorithmen ausführt, kann ein anderer deterministische industrielle Steuerungsaufgaben mit garantierten Reaktionszeiten übernehmen.
Vorteile von Hybrid-Mikrocontrollern bei Upgrades
– Erhalt der bestehenden Architektur:
Einer der Hauptvorteile ist die Möglichkeit, das ursprüngliche Design weitgehend beizubehalten. Der Hybrid-Mikrocontroller kann neue Funktionen übernehmen, ohne die Haupthardware wesentlich zu verändern.
Dies reduziert das Migrationsrisiko und erleichtert die Wiederverwendung bereits validierter Software.
– Höhere Leistung ohne erhöhte Komplexität:
Die funktionale Trennung der verschiedenen Kerne ermöglicht den gleichzeitigen, störungsfreien Betrieb mehrerer Anwendungen.
Kritische Steuerungsaufgaben bleiben isoliert, während Kommunikations-, Überwachungs- oder lokale Intelligenzfunktionen auf anderen Verarbeitungsressourcen ausgeführt werden.
– Verbesserte Sicherheit:
Moderne Mikrocontroller verfügen über fortschrittliche Schutzmechanismen wie:
Sicheres Booten,
geschützte Schlüsselspeicherung,
kryptografische Beschleuniger,
Manipulationserkennung und
vertrauenswürdige Ausführungsumgebungen.
Diese Funktionen ermöglichen die Anpassung bestehender Systeme an die aktuellen Cybersicherheitsanforderungen von Industrie und IoT.
– Vorbereitung auf das industrielle IoT:
Die sichere Konnektivität und die zusätzliche Verarbeitungskapazität erleichtern die Integration bestehender Systeme in Industrie-4.0-Architekturen.
Betriebsdatenerfassung, vorausschauende Wartung und Fernüberwachung können implementiert werden, ohne bestehende Geräte vollständig ersetzen zu müssen.
Anwendungsfälle
– Industrieautomation:
Traditionelle Industriesteuerungen sind typischerweise für Echtzeit-Automatisierungsaufgaben optimiert. Ein Hybrid-Mikrocontroller kann OPC UA-, MQTT- oder Ethernet-TSN-Konnektivität hinzufügen, ohne die Steuerungsfunktionen zu beeinträchtigen.
– Medizintechnik:
Medizinische Geräte erfordern ein hohes Maß an Sicherheit und Zuverlässigkeit. Die Hybridarchitektur ermöglicht die Trennung zertifizierter klinischer Funktionen von neuen Kommunikations- oder Datenanalysefunktionen.
– Energiemanagementsysteme:
Intelligente Zähler und Energiemonitoringsysteme können fortschrittliche lokale Analysealgorithmen integrieren und gleichzeitig Messgenauigkeit und Datenintegrität gewährleisten.
– Automobilelektronik:
Der Übergang zu softwaredefinierten Fahrzeugen erfordert höhere Rechenleistung. Hybrid-Mikrocontroller ermöglichen die Integration neuer Diagnose-, Konnektivitäts- und Sicherheitsfunktionen, ohne die elektronischen Steuergeräte (ECUs) komplett neu entwickeln zu müssen.
Designüberlegungen:
Obwohl die Vorteile erheblich sind, erfordert die Migration zu einer Hybridarchitektur eine sorgfältige Planung.
– Softwaremanagement:
Die Koexistenz mehrerer Kerne erfordert effiziente interne Kommunikations-, Synchronisierungs- und Ressourcenzuweisungsmechanismen.
Echtzeitbetriebssysteme (RTOS) und Multicore-Umgebungen spielen eine entscheidende Rolle für einen stabilen Betrieb.
– Stromverbrauch:
Das Hinzufügen neuer Funktionen kann den Gesamtstromverbrauch des Systems erhöhen. Es ist wichtig, die in modernen Mikrocontrollern verfügbaren Energiesparmodi und dynamischen Energiemanagementtechniken zu nutzen.
– Kompatibilität und Zertifizierung:
In regulierten Branchen müssen alle Änderungen sorgfältig geprüft werden, um die Einhaltung bestehender Vorschriften und Zertifizierungen zu gewährleisten.
Eine gängige Strategie besteht darin, bereits zertifizierte Funktionen zu isolieren und neue Funktionen in separaten Domänen auszuführen.
Die Zukunft der Embedded-Modernisierung:
Die zunehmende Konvergenz von Echtzeitverarbeitung, Edge-KI, sicherer Konnektivität und industrieller Automatisierung treibt die Einführung hybrider Architekturen in allen Gerätetypen voran.
Hybride Mikrocontroller bieten eine effektive Lösung zur Modernisierung bestehender Embedded-Systeme ohne die Kosten und Risiken einer kompletten Neuentwicklung. Ihre Fähigkeit, Leistung, Sicherheit und Flexibilität zu vereinen, macht sie zu einem Schlüsselelement, um die Lebensdauer elektronischer Geräte zu verlängern und deren Anpassung an die sich wandelnden Anforderungen des digitalen Marktes zu erleichtern.
In einem Umfeld, in dem Konnektivität und verteilte Intelligenz immer wichtiger werden, ermöglichen diese Plattformen Herstellern die schrittweise Weiterentwicklung ihrer Produkte, den Schutz bestehender Investitionen und die Beschleunigung des Übergangs zu intelligenteren, sichereren und zukunftssicheren Systemen.
