Touchscreens in POS-Terminals

Die Verbraucher sind daran gewöhnt, Waren und Dienstleistungen mit Kreditkarten an PoS-Terminals zu bezahlen, die über kleine, kostengünstige Displays, physische Tasten, die den virtuellen Tasten auf dem Bildschirm zugeordnet sind, und mechanische Tastenfelder zur Eingabe von Kartennummern und PIN-Codes verfügen. Heute ersetzen größere Farb-Touchscreens die mechanischen Tasten und monochromen Displays der Vergangenheit. Touchscreens sind nicht nur attraktiver, sondern ermöglichen auch den Verzicht auf bewegliche Teile, was die Zuverlässigkeit erhöht. Ein weiterer Trend im Bereich der größeren Touchscreens ist die Zunahme der elektronischen Registrierkassen (ECR). Da es sich dabei nicht um ein sicheres Zahlungsgerät handelt, werden ECRs in der Regel mit einem PoS-Terminal kombiniert, um Zahlungen zu verarbeiten.

POS-Security und PCI-Konformität

Benutzerdaten wie die Primary Account Number (PAN), Kreditkartennummern und PIN haben höchste Sicherheitspriorität. Kartentransaktionen mit Magnetstreifen (Durchziehen) haben inhärente Sicherheitsprobleme; Methoden mit höherer Security sind Dip (Chip und PIN) und Tap (Nahfeldkommunikation: NFC).

Aber auch Touchscreens weisen Schwachstellen auf. Die Übertragung von Berührungsdaten und PINs ist anfällig für Abhör- und Man-in-the-Middle-Angriffe über Overlays und Underlays des Berührungssensors und sogar für Angriffe auf den Kommunikationsbus zwischen dem Touch-IC und der sicheren Host-MPU.

Die Firmware des Touch-Controllers kann gehackt werden, um Kartendaten auszulesen. Die Konfiguration des Touch-Controllers kann so verändert werden, dass selbst bei Systemen, die als sicher zertifiziert sind, Security-Lücken entstehen. Weitere Sicherheitsprobleme sind extreme Umgebungsgeräusche, aktive NFC-Störungen, extreme Emissionen und die Notwendigkeit, gegenüber Feuchtigkeit unempfindlich zu sein.

PCI Compliance als Lösung

Die großen Zahlungskartenhersteller haben das Payment Card Industry Security Standards Council (PCI SSC) gegründet. Dieser Ausschuss hat den PCI DSS entwickelt, um die Daten der Karteninhaber zu schützen. Zahlungsdienstleister und Akzeptanzstellen sind dafür verantwortlich, PCI-konforme Produkte zu entwickeln. Die Anforderungen an die PCI-Konformität können sich ändern, was sich auf das Design von Hardware, Software und Systemen auswirken kann.

Die meisten Anbieter von PoS-Terminals sind inzwischen mit den PCI-Datensicherheitsstandards konform. Wenn ein Zahlungssystem ein separates Zahlungsmodul verwendet, das nach dem PCI DSS für sichere Kartentransaktionen mit einem Kartenleser mit mechanischer Tastatur vorzertifiziert ist, übermittelt der Touchscreen keine sicheren Informationen über die Kommunikationsleitungen. Eine PCI PIN Transaction Security (PTS)-Zertifizierung des Touchscreens ist nur erforderlich, wenn der Touchscreen für die Eingabe von Kreditkarten- und/oder PIN-Code-Daten verwendet wird. Dazu muss die Kommunikationsschnittstelle des Touchscreens abgeschirmt oder die Daten der Berührungsmeldungen verschlüsselt werden.

Allgemeine Anforderungen der PCI-Zertifizierung

Gemäß PCI-PTS gelten für PIN-Transaktionen folgende Anforderungen:

• Das System muss im Falle einer physischen oder softwaretechnischen Manipulation abgeschaltet werden.
• Vertrauliche Benutzerdaten dürfen nur wenn nötig übertragen (immer verschlüsselt) und nur so lange wie nötig aufbewahrt werden.
• Software-Updates oder Booten nur dann, wenn die Integrität der Software überprüft werden kann
• Nur authentifizierte Benutzer können Software aktualisieren
• Schlüssel in einem geschützten Bereich aufbewahren und Mechanismen zum geschützten Hochladen des Schlüssels schaffen
• Das Gerät sollte Selbsttests durchführen und Anomalien melden

Die folgenden Funktionen könnten in Touch-Controller-Produkte auf Systemebene integriert werden:

• 24-Stunden-Zeitplan für den Reboot
• 15-minütiges Timeout bei manueller Tasteneingabe
• PIN-Verschlüsselung mit Advanced Encryption Standard (AES) und ISO-Format 4
• Strikte Verwendung von Verschlüsselungskeys für den jeweiligen Anwendungsfall mit einer Trennung zwischen Kunden- und Hersteller-Schlüsselhierarchien
• PAN-Verschlüsselung
• TR-34 Remote Key Loading (RKL) Protokoll

Ein PCI-Labor validiert das Touchscreen-Display, um zu prüfen, ob es die Sicherheitsanforderungen des PIN Transaction Security-Standards erfüllt. Diese Validierung umfasst folgende Tests:

• Bewertung der Anfälligkeit der PIN-Eingabe für Hackerangriffe
• Bewertung des Zugangs zu sensiblen Daten durch Manipulation und Überprüfung des Reaktionsmechanismus
• Validierung der Techniken und Dokumentation der Schlüsselverwaltung in der Produktion.

Schnell auf den Punkt gebracht

Lösungen wie das maXTouch® Controller-Portfolio von Microchip können solche komplexen Systemanforderungen erfüllen. Das integrierte analoge Front-End und die proprietäre Firmware lassen sich für eine sichere, verschlüsselte Kommunikation für jede Endbenutzeranwendung konfigurieren.

Ein engagiertes Support-Team, wie die Touch-Controller-Experten von Microchip Technology, kann die Kunden bei der Systementwicklung anleiten und sie bei der Software-/Treiberintegration, den Produkttests und der Fehlersuche unterstützen.

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Mensch-Maschine-Schnittstellen veranschaulichen, was „Information greifbar machen“ bedeutet. Indem sie Tasten durch Displays und grafische Darstellungen ersetzen, haben sie die Art und Weise verändert, wie Menschen mit Technologie interagieren. In den 90er-Jahren liefen HMI auf PCs und CRTs (Röhrenmonitoren), sodass Ingenieure dank Ethernet, GPUs und Windows von einer großen Flexibilität profitierten. Seitdem HMI jedoch nicht mehr nur auf PCs, sondern auf Embedded-Systemen und LCDs laufen, sind sie allgegenwärtig geworden. Viele Analysten bezeichnen das Smartphone als den „Kanarienvogel in der Kohlenmine“, der gezeigt hat, dass stromsparende Arm-Architekturen grafische Schnittstellen ausführen können. Außerdem haben Software- und Sensorinnovationen energiesparende Konzepte für batteriebetriebene Systeme ermöglicht. Diese neue Realität bringt jedoch auch besondere Herausforderungen mit sich.

Was sind HMI und warum sind sie so wichtig?

Einfach ausgedrückt ist ein HMI eine Benutzeroberfläche, die die Steuerungs- und Überwachungsfunktionen eines Systems darstellt. Sie ist oft interaktiv dank eines Touchscreens oder Tasten und sehr verbreitet, da sie die Produktivität steigert, indem sie komplexe Systeme einfacher bedienbar und Daten leichter zugänglich macht. Da HMI heute auch auf Mikrocontrollern laufen, können sie überall eingesetzt werden. Folglich müssen die Ingenieure portierbare Schnittstellen entwickeln, die für unterschiedliche Bildschirmgrößen und Hardwarespezifikationen geeignet sind. Das bedeutet, dass man mit sehr unterschiedlichen Rahmenbedingungen zurechtkommen und gleichzeitig die Kosten niedrig halten muss. Außerdem werden HMI immer komplexer, da die Entwickler Funktionen wie Over-the-Air-Updates und Maschinelles Lernen hinzufügen, die eine Benutzeroberfläche erfordern. Einfach ausgedrückt: HMI müssen mehr Aufgaben erfüllen und auf mehr Plattformen laufen, ohne dass die Kosten steigen.

Eine Lösung an der Verbindung von Hardware und Software

Um diese Herausforderung zu lösen, hat ST Bausteine wie den STM32MP13, den STM32MP2 und den STM32U599 auf den Markt gebracht, um nur drei zu nennen. Die ersten beiden Mikroprozessoren haben einen Cortex-A7 beziehungsweise Cortex-A35, was bedeutet, dass auf ihnen Embedded Linux und alle dazugehörigen grafischen Frameworks ausgeführt werden können. Sie gehören außerdem zu den preiswertesten Bauteilen ihrer Art, wobei der STM32MP13 weniger als vier Dollar kostet. Beide unterstützen zahlreiche Kommunikationsschnittstellen, wie zum Beispiel Gigabit Ethernet. Der STM32MP2 bietet sogar Kompatibilität für TSN (Time-Sensitive Networking), was bedeutet, dass Ingenieure HMI in Systeme mit strengen Anforderungen einbauen können, ohne ihre Stückliste zu sprengen. In ähnlicher Weise öffnet die STM32U599 MCU dank ihrer NeoChrom GPU die Türen zu HMI, die bisher auf Mikrocontrollern in dieser Preisklasse nicht möglich waren. Diese ST-Technologie bietet eine neue Hardware-Beschleunigung, die eine höhere Bildrate und flüssigere Animationen ermöglicht. Die Hersteller von Benutzeroberflächen demonstrieren nun ihre Produkte basierend auf unseren Bausteinen, die zeigen, wie HMI mit immer mehr Funktionen auf einer breiten Palette von MPUs und MCUs ausgeführt und dabei die Kosten niedrig gehalten werden können.

HMI sind auch dank neuer Sensoren effizienter und komfortabler geworden. Der neue Thermo-Metalloxid-Halbleiter (TMOS) STHS34PF80 von ST beispielsweise verwendet einen Infrarotsensor mit einer Wellenlänge zwischen 5 µm und 20 µm. Er ermöglicht die Präsenzerkennung mit einem Bruchteil des Stromverbrauchs und der Kosten, die für einen herkömmlichen Sensor mit einem komplexeren VCSEL erforderlich wären. Dies erhöht die Gesamteffizienz erheblich und erlaubt den Einsatz von HMI auf immer mehr Systemen. ST arbeitet zwar mit zahlreichen Herstellern von Grafik-Frameworks zusammen, bietet aber auch TouchGFX an, ein kostenloses Framework, das alle in STM32-Bauteilen integrierten Hardware-Funktionen nutzt. Das ermöglicht die Nutzung von Hardware-IPs einfach per Knopfdruck im TouchGFX Designer, was die Arbeitsabläufe erheblich optimiert.

Was kommt als nächstes?

Die zunehmende Anwendung von Maschinellem Lernen in Edge-Umgebungen führt dazu, dass Anwender intelligentere HMI mit modularen Schnittstellen und kontextbezogenen Applikationen erwarten. Aus diesem Grund verfügt der STM32MP2 über einen Neural Network Accelerator. ST ist sich der Tatsache bewusst, dass Entwicklungsteams frühzeitig auf Trends reagieren müssen, wenn sie der Zeit voraus sein wollen. Da immer mehr Anwender eine HMI bei Produkten erwarten, die bisher keine hatten, müssen Ingenieure Wege finden, sie in eine Vielfalt von Systemen zu integrieren. Deshalb bietet ST regelmäßig Webinare, Blogbeiträge, Dokumentationen und technische Demos an, um zu verstehen, wie man mit den jeweiligen Anforderungen umgeht. Der Schlüssel zu den HMI-Innovationen von morgen liegt nicht nur in einem Produktportfolio, sondern auch in einer anderen Denkweise darüber, wie wir als Branche HMI entwickeln und wie sie unsere Beziehung zur Technologie im nächsten Jahrzehnt verbessern werden.

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Siliziumcarbid SiC entwickelt sich immer mehr zum Treiber der Elektrifizierung in der Mobilität. Das Wide-Band-Gap-Material ist bei hohen Spannungen hocheffizient und ist die Basis von 800-Volt-Antriebssystemen. Damit ebnet SiC den Weg für leichtere Elektrofahrzeuge mit größerer Reichweite. Zudem ist es unerlässlich, um schnelle Batterieladezeiten zu erreich, die mit der Tankfüllung herkömmlicher Fahrzeuge vergleichbar sind. 

Umfassendes SiC-Portfolio

Angesichts der steigenden Nachfrage nach SiC ist die Wahl des richtigen Lieferanten und Partners von entscheidender Bedeutung. onsemi bietet unter dem Namen „EliteSiC” ein breites Angebot an hocheffizienten intelligenten Stromversorgungslösungen auf Basis von SiC: Das Produktangebot umfasst SiC-Dioden, SiC-MOSFETs, SiC-Module und Silizium- und SiC-Hybridmodule. Neuste Mitglieder der Reihe sind der 1700-V-EliteSiC-MOSFET und zwei 1700-V-Avalanche-taugliche EliteSiC-Schottky-Dioden. Die neuen 1700-V-EliteSiC-Bauelemente bieten einen klassenbesten Wirkungsgrad bei reduzierter Verlustleistung und stehen damit exemplarisch für die hohen Leistungs- und Qualitätsstandards der Produkte der EliteSiC-Familie. 

Fertigung von End to End

Doch nicht nur mit seiner führenden Technologie erfüllt onsemi die Anforderungen der industriellen Energieinfrastruktur und der Anbieter von Industrieantrieben – dank der End-to-End-SiC-Fertigungskapazitäten können sich Anwender auch auf eine hohe Liefersicherheit verlassen. onsemis Lieferkette beginnt bei bereits mit der Züchtung des einkristallinen Siliziumkarbidmaterials im Werk in Hudson, New Hampshire. Der gesamte Herstellungsprozess ist durchgehend vertikal integriert. Das ist die Basis für eine hohe Qualität, ermöglicht eine vollständige Kostenkontrolle und eine schnelle Skalierung der Produktionsfläche sowie eine Prozessoptimierung durch schnelles Feedback in der gesamten Wertschöpfungskette.

Praktische Erfahrung im Design 

Darüber hinaus bietet onsemi technische Unterstützung durch spezialisierte Automotive-Fachleute und Experten für das Design von Gleichstrom-Schnellladestationen. Durch komplette Design-Tools für das Ökosystem und eine detaillierte technische Dokumentation von physikalischen, skalierbaren SPICE-Modellen werden Kunden in jeder Phase ihres Designs und ihrer Entwicklung zusätzlich unterstützt.

Beispiel DC-Schnelladestation

Mit der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen steigt auch die Nachfrage nach Gleichstrom-Schnellladegeräten. Doch deren Design ist oftmals noch Neuland für Anwendungs-, Produkt- oder Entwicklungsingenieure. Um ihnen zu zeigen, was die wichtigsten Designüberlegungen sind und wie sie angegangen werden sollten, hat das Systemtechnik-Team von onsemi EMEA exemplarisch ein 25-kW-Gleichstrom-Schnellladegerät auf der Basis von SiC-Power Integrated Modules (PIM) designt. 

Das Ladegerät verfügt über bidirektionale Fähigkeiten, deckt einen weiten Ausgangsspannungsbereich ab und ist in der Lage, 400-V- und 800-V-Batterien zu laden. Die Eingangsspannung ist für EU 400-Vac und U.S. 480-Vac Dreiphasennetze ausgelegt. Die Leistungsstufe liefert 25 kW über den Spannungsbereich von 500 V bis 1000 V. Unterhalb von 500 V wird der Ausgangsstrom auf 50 A begrenzt, wodurch die Leistung in Übereinstimmung mit den Profilen von Gleichstrom-Ladestandards wie CCS oder CHAdeMO reduziert wird. Isolierte CAN-, USB- und UART-Schnittstellen ermöglichen eine Kommunikation zwischen Stromversorgungsblöcken, Ladesystem-Controller, Fahrzeug, Service und Wartung. 

Insgesamt folgt das Design den Richtlinien der Normen IEC-61851-1 und IEC-61851-23 für das Laden von Elektrofahrzeugen. Dementsprechend begann der Entwicklungsprozess mit der Definition der Systemanforderungen, durchlief Machbarkeitsstudien und führte in mehreren Iterationen schließlich zu einem finalen Entwurf. Dabei wurden auch Leistungssimulationen mit SPICE-Modellen sowie Steuerungssimulationen mit MATLAB und Simulink durchgeführt. Auf Basis des finalen Entwurfs entstanden dann konkrete Schaltpläne, das Layout der Leiterplatte und schließlich reale Prototypen. 

Know-how aus der Praxis für die Praxis

Durch die Entwicklung des DC-Schnellladegeräts hat das onsemi-Team wichtige Erkenntnisse zum Zusammenspiel der Komponenten und zum Entwicklungsprozess gewonnen. Von diesem Know-how können Kunden von onsemi direkt profitieren – viele Herausforderungen beim Design können so schnell gemeistert und das neue System in deutlich verkürzter Entwicklungszeit auf den Markt gebracht werden.

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Die automobile Mobilität verändert sich radikal. Innovative Technologien und neue Mobilitätskonzepte revolutionieren die Art und Weise, wie wir Auto fahren. Im Zuge von Megatrends wie 5G, Konnektivität, Smart Citys, Elektrifizierung und Nachhaltigkeit werden Fahrzeuge immer intelligenter. Sie kommunizieren mit ihrer Umgebung (Car2X), übernehmen Fahrfunktionen, überwachen ihre Passagiere und bieten neue Erlebnisse in Bezug auf Wohlbefinden, Komfort und Entertainment. 

ams OSRAM spielt bei diesem Wandel als zuverlässiger Partner der führenden Automobilhersteller und ihrer Zulieferer eine entscheidende Rolle. Als Innovations- und Technologieführer seit mehr als 100 Jahren bietet das Unternehmen seinen Kunden innovative Lösungen, mit denen es sich vom Wettbewerb abhebt. 

Die Sensor- und Beleuchtungstechnologien des Unternehmens machen es möglich die Umwelt zu erfassen und mit ihr zu kommunizieren, und sind somit ein wichtiger Wegbereiter für neue Mobilitätsfunktionen. Licht macht die Umwelt sichtbar, Sensoren machen sie sicherer. Ihre Kombination bringt einen echten Mehrwert für die Sicherheit und den Komfort im Straßenverkehr – innerhalb und außerhalb der Fahrzeugkabine.

In seiner langen Geschichte hat ams OSRAM immer wieder Benchmarks in Sachen Sicherheit und Komfort gesetzt. Das Unternehmen ist dafür bekannt, qualitativ hochwertige, automotive-zertifizierte Lösungen in großem Umfang zu liefern, von der funktionalen Innenbeleuchtung bis hin zu denScheinwerfern und Signalleuchten. Als zuverlässiger Berater für Technologietrends beschäftigt sich das Unternehmen mit smarten Beleuchtungs- und Sensoriklösungen, die die Mobilität von morgen mitgestalten, wie zum Beispiel intelligente Frontscheinwerfer, Ambientebeleuchtung, Innenraumsensorik, Außensensorik für automatisierte Fahrzeuge, intelligente Signalgeber, Displays und Projektionen.

Automobiler Innenraum – sichere und komfortable Fahrten 

Der automobile Innenraum von morgen wird sich in Form und Funktionalität grundlegend verändern. Mit automatisierten Funktionen, die den Fahrer zunehmend ablösen, wird das Auto nicht mehr nur ein Transportmittel von A nach B sein, sondern es entwickelt sich zu einem individuellen Lebensraum und einer Entertainment-Zone. Diesem Trend folgend, werden die Displays immer größer und besser. Es entstehen neue Steuerungssysteme – wie intelligente Oberflächen oder Gestensteuerung für eine nahtlose Mensch-Maschine-Interaktion – während anpassbare Ambientelicht-Lösungen das Wohlbefinden an Bord unterstützen.

Auf dem Weg vom assistierten zum vollautonomen Fahren werden Systeme zur Überwachung des Fahrers und der Passagiere unerlässlich. Innovative Sensorlösungen für die Fahrer- und Kabinenüberwachung verbessern die Sicherheit, indem sie Daten über die Fahrzeuginsassen erfassen und an die Sicherheitssysteme weiterleiten. AR-Head-up-Displays verringern die Ablenkung und revolutionieren die Art und Weise, wie Informationen für den Fahrer dargestellt werden. 

ams OSRAM bietet seinen Kunden ein einzigartiges Produktportfolio, das die Schlüsseltechnologien für die Zukunft des automobilen Innenraums abdeckt. Ein breites Spektrum an hochwertigen IREDs, VCSEL-Emittern sowie 2D- und 3D-Sensorkomponenten ermöglicht Gestensteuerung, Fahrerüberwachung und Überwachung im Innenraum. Miniaturisierte LED-Lösungen und Ambient-Light-Sensoren beleuchten Displays und passen deren Helligkeit dynamisch an. Kantenemittierende Laser (Edge Emitting Laser, EEL) bilden die Basis für Head-up-Displays der nächsten Generation.

Die hochpräzisen LED von ams OSRAM für die anpassbare RGB-Ambientebeleuchtung bieten den Automobilherstellern zum einen ein unverwechselbares Designelement. Zum anderen helfen sie dem Fahrer auch, konzentriert zu bleiben und sein Stressniveau zu senken, indem sie die biologische Wirkung von Licht nutzen. Mit seinen Technologien prägt ams OSRAM die automobile Mobilität und macht sie sicherer, intelligenter und komfortabler.

Neue Möglichkeiten der Innenraumbeleuchtung – Dekoration, Beleuchtung und Funktionalität in einer Struktur 

ams OSRAM und TactoTek ermöglichen mithilfe eines innovativen In-Mold-Verfahrens die Integration von RGB-Sidelooker-LEDs in dünne, intelligente Oberflächen und erweitern so die Einsatzbereiche für die zukünftige Fahrzeuginnenbeleuchtung. 

Die RGB-Sidelooker-LED OSIRE E5515 von ams OSRAM kann mithilfe der IMSE-Technologie von TactoTek zu einem dünnen Kunststoffteil geformt und für leichte und platzsparende Anwendungen im Fahrzeuginnenraum genutzt werden. Diese Kombination ermöglicht vielfältige, nahtlose Designs, bei welchen die Oberflächengestaltung, Beleuchtung und Funktionalität in einer intelligenten Struktur vereint sind und eröffnet im Vergleich zu herkömmlichen Technologien neuen Gestaltungsspielraum. Die große Farbskala sorgt für zusätzliche Designfreiheit ohne Kompromisse bei der Farbqualität und Leistung.

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Wir schaffen eine große Menge Innovationen, die es uns die Entwicklung marktführender Produkte und Lösungen für unsere Kunden erlauben und die unser zukünftiges Wachstum weiter vorantreiben. Dies erlaubt uns, die Grenzen des Möglichen für Technologien und Anwendungen immer weiter nach oben im Einklang mit unseren strategischen Zielen zu verschieben.

Fortschritte in Elektrifizierung und Digitalisierung schaffen innovative Features und Anwendungsfälle für die Mobilität von morgen

Fortschritte in Elektrifizierung und Digitalisierung schaffen innovative Features und Lösungen für die Mobilität von morgen. Dies ist getrieben von sowohl der Verfügbarkeit von Fahrzeugen mit höherer Leistung und verbesserter Reichweite als auch ökologischem Bewusstsein, finanziellen Anreizen und Regularien. Während sich die Industrie weiterentwickelt, werden Fahrzeuge immer besser verbunden, effizienter und autonom. STMicroelectronics steht an der Spitze dieses Wandels und entwickelt die neuesten Technologien für Elektromobilität, Hybrid- (HEV) und reine Elektro-Fahrzeuge (BEV). Unsere Lösungen ermöglichen neue Features wie fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS) und elektrische Antriebssysteme mit kosteneffizienteren Batterietechnologien. Wir unterstützen unsere Kunden in der Gestaltung der Zukunft der Mobilität, indem wir Lösungen bieten, die das gesamte Fahrerlebnis durch höhere Leistungen und Sicherheit auf höhere Ebenen bringen und unseren Einfluss auf die Umwelt reduzieren.

Kerntechnologien für Sicherheit und autonomes Fahren

Kerntechnologien, die mehr Sicherheit und autonomes Fahren ermöglichen, sind unerlässlich für die Zukunft der Mobilität. ST ist ein Spitzenreiter in der Entwicklung dieser Technologien wie Siliziumcarbid (SiC) und Vertical Intelligent Power für mehr Leistungseffizienz, genauere Steuerung, besseren Schutz und mehr Diagnostik. Unsere Lösungen stellen die notwendigen Daten und Rechenleistung für fortschrittliche Fahrerassistenzsysteme (ADAS), die permanent alles um das Fahrzeug herum beobachten, den Fahrer vor gefährlichen Straßensituationen warnen und korrigierend eingreifen, zur Verfügung. Zusätzlich bieten wir unseren Kunden Sicherheitslösungen, die Fahrzeuge und deren Insassen durch fortschrittliche intelligente Anwendungen mit sicherer Fahrzeugkonnektivität schützen. Wir fühlen uns verpflichtet, Fahren sicherer, grüner und besser vernetzt durch die Kombination unserer verschiedenen Technologien zu machen.

Die einzigartigen Eigenschaften von Wide-Bandgap-Meterialien verbessern die Leistungsfähigkeit der Anwendungen

Die einzigartigen Eigenschaften von Wide-Bandgap-Materialien (WBG) wie Siliziumcarbid und Galliumnitrid verbessern die Effizienz und Leistungsfähigkeit von Traction Invertern, Gleichspannungswandlern und On-Board-Ladereglern. Durch die Fähigkeit, bei höheren Spannungen ohne Kompromisse bei der Leistung zu arbeiten, können diese Materialien für höhere Frequenzen eingesetzt werden und sie funktionieren sicherer bei weitaus höheren Temperaturen. Diese Eigenschaften ermöglichen eine unerreichte Miniaturisierung, Zuverlässigkeit und Leistungsdichte, was zu niedrigeren Systemkosten führt. Als Hersteller mit eigener Fertigung engagiert sich ST aktiv in Kapazitätserweiterungen und der Entwicklung einer zuverlässigen, robusten Lieferkette für WBG-Materialien.

STs nachweisliche Erfahrung bei sicherer Konnektivität und Sensortechnologie kann als Plattform für Mobilitätsdienste dienen

Mobility-as-a-service (MaaS) ist eine umweltfreundliche Art des Transports mit steigenden Popularität als nachhaltige Alternative zu Fahrzeugen in persönlichem Besitz. Während sich das Auto von einem persönlichen Fahrzeug zu einer Dienstleistung einer Carsharing-Flotte aus fahrerlosen Fahrzeugen in einer smarten städtischen Umgebung entwickelt, wird sich das Niveau der angebotenen Dienste dramatisch erhöhen. ST engagiert sich stark, diesen Trend durch das Anbieten eines weiten Bereichs von Lösungen zu unterstützen – vom Flottenmanagement bis Carsharing, vom Erkennen freier Parkplätze bis zur Straßenmaut. Alle diese Dienste verlassen sich auf Sensoren, Prozessoren und Kommunikations-ICs. Diese werden schon in vielen modernen Systemen eingesetzt und belegen, dass unsere Erfahrung bei sicherer Kommunikation und Sensortechnologie als Plattform für Mobilitätsdienste dienen kann. Wir glauben, dass MaaS ein Schlüssel für eine nachhaltige Zukunft des Verkehrs ist, da der CO2-Ausstoß, Staus und der Verbrauch an Parkflächen signifikant reduziert werden.

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Industrieunternehmen benötigen Lösungen, die es ihnen ermöglichen, betriebliche und informationstechnische Netzwerke zu verschmelzen, vorausschauende Wartung zu betreiben und Prozesse mithilfe von Robotern zu automatisieren, um den Durchsatz zu erhöhen und menschliche Fehler zu vermeiden.

Ein programmierbares System on Module (SOM) kann eine geeignete Rechenplattform zur Lösung dieser Herausforderungen sein. Dazu sind jedoch zusätzliche Firmware- und Software-Infrastrukturen erforderlich, und eine heterogene Verarbeitungs-Engine sowie integrierte programmierbare Logik können hier wertvolle Flexibilität bieten.

Netzwerk-Konvergenz 

Die Konvergenz der Informationstechnologie (IT) mit den Netzwerken der Betriebstechnologie (OT) erleichtert den Informationsfluss zwischen den Systemen in der Fabrikhalle und der Unternehmensverwaltung.

OT-Netzwerke erfordern Echtzeit-Kommunikation mit niedriger Latenz und sind schwer zu skalieren, während IT-Netzwerke leichter zu skalieren, aber nicht deterministisch sind. Time Sensitive Networking (TSN) erleichtert die Konvergenz, indem es deterministische Kommunikation über Ethernet-Netzwerke ermöglicht.

Die korrekte Implementierung von TSN erfordert eine Lösung, die eine niedrige Latenzzeit und eine deterministische Reaktion an den Netzendpunkten und Switches ermöglicht. Eine geeignete Plattform würde einen Ethernet-MAC, eine TSN-Bridge, eine TSN-Endpunktlogik und Software für die Netzwerksynchronisierung, Initialisierung und Schnittstellenfunktionen umfassen. 

Predictive Maintenance

Dank der vorausschauenden Überwachung können Betreiber die Wartung für günstige Zeiten planen, die Betriebszeit maximieren und die Gesamtbetriebskosten (TCO) minimieren. Die Verarbeitung in der Edge und die Übermittlung der verarbeiteten Daten an die Cloud ist für viele industrielle Anwendungen aufgrund der Datenmenge und der daraus resultierenden kritischen Reaktionszeit der Entscheidungsschleife die praktikabelste Lösung. Der Einsatz von Prognostik in der Edge kann erhebliche Vorteile bringen.

Eine Herausforderung beim Aufbau solcher Systeme besteht in der Entwicklung von Applikationen des maschinellen Lernens (ML) für den Edge-Einsatz. Ein geeignetes Toolkit kann gebrauchsfertige Hochleistungs-ML-Algorithmen bereitstellen, die es Entwicklern ermöglichen, Anwendungen mit gängigen maschinellen Lern-Frameworks wie PyTorch, TensorFlow und Caffe zu erstellen.

Auf ROS 2 basierende Robotik

Eine der wichtigsten Technologien für Industrie 4.0 ist der Einsatz von Robotern zur Automatisierung des Produktionsprozesses. In der Fertigung können diese Lösungen eine breite Palette von Anwendungen abdecken, von Roboterarmen, die an einer Fertigungsstraße arbeiten, bis hin zu Robotern, die Lieferungen und Logistik in der Fertigungshalle bewegen.

Ein hochleistungsfähiges Verarbeitungssystem mit geringer Latenzzeit ist entscheidend für die sichere Interaktion mit der Umgebung. Es wird insbesondere für die Steuerung der beweglichen Teile des Roboters benötigt, die aus komplexen Systemen von Aktuatoren, Antrieben und Mechanik bestehen und oft als Mechatronik bezeichnet werden. Da Roboter intern über Netzwerke kommunizieren, um die erforderliche Echtzeitsteuerung zu erreichen, bietet ein SOM, das programmierbare Logik enthält, zwei Vorteile. Zum einen unterstützt es Any-to-Any-Interfacing, was die Implementierung von Verbindungen zu Sensoren und Antrieben vereinfacht. Außerdem können mit programmierbarer Logik deterministische Netzwerke realisiert werden, was für die Realisierung von Robotersystemen entscheidend ist.

Viele Entwicklungsprojekte nutzen das Robot Operating System (ROS), das eine Reihe von Softwarebibliotheken und Tools für die Entwicklung von Robotersystemen umfasst. Obwohl ROS kürzlich auf ROS 2 aktualisiert wurde, ist seine native Continuous Integration/Continuous Delivery (CI/CD)-Entwicklungspipeline ausdrücklich für homogene CPU-basierte Verarbeitungssysteme konzipiert. 

Darüber hinaus wurde die CI/CD-Pipeline um Überwachungs- und Automatisierungsfunktionen erweitert, um den Prozess der Anwendungsentwicklung zu verbessern, insbesondere in der Integrations- und Testphase sowie bei der Auslieferung und Bereitstellung. Diese Automatisierung minimiert die manuelle Ausführung der einzelnen Schritte einer CI/CD-Pipeline und ermöglicht es Robotikern, die gleichen Konventionen von ROS 2 mit denselben Werkzeugen für Teile zu verwenden, die in Software implementiert oder die in programmierbarer Logik ausgelagert oder beschleunigt sind. Es gibt auch einen Mechanismus zum Benchmarking der Ausführung einer ROS 2-Knotenanwendung, der dabei hilft, Engpässe zu identifizieren und einen oder mehrere Kernel als ausgelagerte Kernel in programmierbarer Logik speziell anzupassen.

Fazit

Adaptives Hochleistungs-Edge-Computing ist eine Säule der industriellen digitalen Transformation. Programmierbare SOMs können die Erstellung flexibler, adaptiver Computing-Lösungen vereinfachen und mit speziell entwickelter IP, einschließlich Software-Stacks, die Entwicklung eines produktionsreifen Modells beschleunigen.

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Angetrieben von den globalen Anstrengungen zur Kohlendioxidreduktion und mit dem Ziel einer baldigen Klimaneutralität, nehmen die Bemühungen um alternative ­erneuerbare Energiequellen an Fahrt auf.

Aufgrund ihrer Skalierbarkeit und niedriger Investitionskosten gehört die Stromerzeugung aus Wind- und Sonnenenergie zu den vielversprechendsten Konzepten, um den Strombedarf der Zukunft auf nachhaltige Weise zu decken. Aber wie kann man ein Netz steuern, das zunehmend auf diesen volatilen Energiequellen und enormen Bedarfsspitzen basiert? ­Smartes Netzmanagement in Verbindung mit innovativen Energiespeichersystemen (ESS) ist ein Teil der Lösung. Zum Glück gibt es eine weitere schnell wachsende Anwendung. Diese kann helfen, die Herausforderung zu bewältigen. Elektro­mobilität als Ersatz für Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor.

Vehicle-to-Grid (V2G) und Vehicle-to-Building (V2B) werden die Netzstabilität erhöhen

Weltweit gibt es immer mehr Batterien mit hoher Kapazität, wodurch verschiedene zukunftsweisende Konzepte zur Nutzung dieser Stromquellen bei Bedarfsspitzen entstanden sind. Sie können als Teil einer Solar- oder Wind­energiestrategie für private Eigenheime und gewerbliche Gebäude eingesetzt werden, um erneuerbare Energiequellen zum Laden von Elektrofahrzeugen (BEV) zu nutzen und diese Energie bei Stromausfall oder zur Abdeckung von Energieverbrauchsspitzen wieder zurückzuführen. Für den Einzelnutzer sind lokale Netzwerke attraktiv, weil sie die Möglichkeit bieten, sich von der Netzqualität und den Preisen unabhängig zu machen.

Anlagen in Wohngebieten, die über eine lokale Stromquelle und einen Energiespeicher verfügen, werden hauptsächlich zur Deckung des eigenen Strombedarfs genutzt. Bei Stromknappheit oder im Falle eines Energieüberschusses kann bei diesen Anlagen Strom aus dem Netz bezogen bzw. an dieses abgegeben werden. Das Laden von BEV bietet eine Möglichkeit, die benötigte ­Energie-Speicherkapazität des lokalen Systems zumindest zu reduzieren. Dieser V2B-Ansatz lässt sich noch ausweiten, wenn man den Energiebedarf auf nationaler Ebene betrachtet. Die Energienachfrage bei einem breitflächigen Wechsel zur erneuerbaren Energie kann mit Hilfe von V2G ausgeglichen und besser reguliert werden.

Schnelllade-Infrastruktur als Fundament der Elektromobilität

Viele Kunden sind allerdings beim Kauf eines batteriebetriebenen Fahrzeugs eher zögerlich. Hauptbedenken sind die begrenzte Reichweite, die Verfügbarkeit von Ladestationen und die Dauer des Ladeprozesses selbst.

Um den Ladevorgang komfortabler zu gestalten, so dass er etwa mit dem Betanken eines Fahrzeugs vergleichbar ist, ist es notwendig die Ladezeiten erheblich zu reduziert. Leistungsstarke BEV-DC-Ladegeräte stellen für öffentliche Ladestationen eine attraktive Option dar. Sie sorgen dafür, dass das Fahrzeug sehr viel schneller als mit der herkömmlichen AC-Wandsteckdose, die viele BEV-Besitzer zuhause haben, geladen werden kann. Ein 150-kW-DC-Ladegerät kann heute ein BEV mit einer Reichweite von 200 km in etwa 15 Minuten aufladen. Hochleistungs-Ladesäulen werden gewöhnlich aus Einzelmodulen von je 20 bis 50 kW gebaut. Hierdurch kann man die Wartung der Ladesäulen vereinfachen und die Robustheit des Systems verbessern.

Kluges Energiemanagement durch bidirektionale Leistungswandler

Um die V2G- und V2B-Systeme weiter zu verbessern, benö­tigen infrastrukturelle BEV-DC-Ladegeräte oder Energie­speichersysteme bidirektionale ­Leistungswandlersysteme. Nur mit effizienten bidirektionalen Leistungsstufen kann ein attraktiver Energieausgleich erzielt werden. Die ­kürzlich eingeführten Elektronikkomponenten, die große ­Bandlücken-Abstände nutzen, sind für ihre Vorteile bei der Konfiguration von Leistungswandlern bekannt. Die geringeren Leitungsverluste der Siliziumkarbid-Technologie und das verbesserte Schaltverhalten sind für einen effizienten und schnellen Energieaustausch von ausschlaggebender ­Bedeutung.

Das breite Produktportfolio von Infineon bietet viele ­attraktive Möglichkeiten für die Gestaltung bidirektionaler Leistungswandler: von Netzschaltern, Gate-Treibern und Mikro­controllern bis hin zu Sensoren und Sicherheits­lösungen.

Zudem werden die Kunden durch eine wachsende Zahl von Referenzschaltungen bei der Reduzierung ihrer eige­nen Entwicklungszeiten und -bemühungen unterstützt. Ein bidirektionaler DCDC-Leistungswandler ist das erste Beispiel: Der REF-DAB11KIZSICSYS kann bis zu 11 kW bei 550 V bis 800 V Ausgangsspannung liefern. Die Schaltung lässt sich wiederverwenden, um den Bau von Prototypen für neue Projekte mit BEV-Ladegeräten und ESS-Projekte zu beschleunigen. In naher Zukunft werden Referenzsysteme für 22 kW DC-Wandsteckdosen und 50 kW Module für Hochleistungsladegeräte folgen.

Fazit

Um erneuerbare Energien effizient zu nutzen, sollte ein intelligentes Netzmanagement Ressourcen wie BEV-Batterien für ein besseres Power Management einsetzen. Das ist nur machbar mit bidirektionalen Leistungswandlern in Fahrzeugen und Infrastruktur. Infineon bietet alles aus einer Hand und wird Sie als Partner daher nicht nur mit erstklassigen Produkten aus seinem breiten Leistungsspektrum unterstützen, sondern Ihnen auch als zuverlässiger Berater für Ihren Systementwurf zur Seite stehen – um Ihr Leben einfacher, sicherer und grüner zu machen.

Erfahren Sie mehr über Infineon und bidirektionale Leistungswandler, die das Unternehmen bietet: www.infineon.com.

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Es gibt jedoch ernsthafte Bedenken hinsichtlich der Nutzung von wertvollem Land für Solarparks im Kraftwerks-Maßstab. So könnten Solaranlagen Ackerland verdrängen oder den Lebensraum für Wildtiere beeinträchtigen. Selbst Solaranlagen in der Wüste haben Auswirkungen auf die Umwelt. Auch durch Zufahrtsstraßen, Bauten zur Montage der Paneele und durch die laufende Wartung.

Standortwahl für die Gewinnung von Solarenergie

Glücklicherweise vollzieht sich jedoch eine langsame Revolution bei der Wahl des Standorts für Solaranlagen. Ein naheliegender Montageort ist der auf großen Flachdächern. Wie man sie in Gewerbegebieten, auf Lagerhallen und in großen Einzelhandelsgeschäften finden kann. Das ist schon seit langem auch unter wirtschaftlichen Aspekten eine ­attraktive Option für Handels- oder Industrieunternehmen. Andere Organisationen, die Solaranlagen installieren könnten, sind Behörden, Schulen und Universitäten und auch Dachsolar­anlagen für Privathäuser sind heute sehr bekannt und ­üblich.

Angesichts der zunehmenden Verbreitung von Elektrofahrzeugen und der Notwendigkeit diese aufzuladen, sind auch Parkplätze ein naheliegender Ort, um Solarmodule und die dazugehörige Ladeinfrastruktur für Elektrofahrzeuge ­aufzustellen. Zudem bleiben die Autos unter den Paneelen kühler und die Nutzung des Parkplatzes ist nachhaltiger.

Floatovaltaik

Ein anspruchsvollerer Standort für Solarmodule ist schwimmend auf einer Wasseroberfläche. Dies kann eine ­geschützte Bucht, ein See oder Reservoir sein. Sogar ein Klärteich eignet sich, um eine Solaranlage zu beherbergen. Bei der ­Floatovoltaik wird nicht nur Strom mit Solarmodulen ­erzeugt, sondern das Wasser kühlt zudem die Paneele, was ihre Effizienz und Lebensdauer erhöht. Zusätzlich wird die Verdunstung aus dem Wasser reduziert und sogar eine Algenblüte wird unterdrückt. In manchen Fällen können Solarpaneele auch auf dem Wasserreservoir eines Pumpspeicherkraftwerks schwimmen, wo die Solarenergie gespeichert und zur Unterstützung des Netzes wieder abgegeben werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Solaranlage problemlos auf die bereits vorhandene Übertragungsinfrastruktur für das Wasserkraftwerk zugreifen kann.

Agrophotovoltaik

Eine aktuell meistdiskutierte Innovation ist die „Agrophotovoltaik“. Dabei wird die Solaranlage so installiert, dass sie mit der Landwirtschaft koexistiert und beide davon ­profitieren.

Ein Beispiel ist, die Paneele weit über den Boden zu ­errichten, damit Schafe oder anderes Vieh darunter grasen können. Die Tiere helfen zudem, die Vegetation der Fläche zu pflegen. Das Schaffen von Lücken in der Solaranlage, durch die das Licht den Boden erreichen kann, ist eine der Techniken von Agrophotovoltaikanlagen. So wird Lebensraum für eine Vielzahl von Pflanzen geschaffen. Agrophotovoltaikanlagen wurden bereits als Möglichkeit vorgeschlagen, Lebensräume für Wildblumen und Bestäuber zu schaffen oder sogar als Platz für nahegelegene Bienenstöcke.

Ein weiterer Vorteil des Anbaus von Pflanzen unter den Solarmodulen ist, dass die Pflanzen weniger bewässert werden müssen und die Bodenfeuchtigkeit höher bleibt. Die Pflanzen senken auch die Lufttemperatur unter den Solarmodulen, wodurch diese kühler bleiben, was die Effizienz der Energieumwandlung erhöht. Die Paneele blockieren allerdings die Sonne und reduzieren die Lichtmenge, die die Pflanzen erreicht. Bei einigen Ackerfrüchten, wie zum Beispiel Weizen, würde dies den Ertrag verringern. Bei einer Vielzahl von Gemüsesorten wie Tomaten, Spinat und Paprika ist der Flächenertrag jedoch nachweislich höher.

Die Menschen werden immer kreativer bei der Wahl von Standorten für Solaranlagen. So untersuchte zum Beispiel eine kürzlich durchgeführte Studie die Auswirkungen einer Überdachung der 4.000 Meilen langen Kanäle in Kalifornien mit Sonnenkollektoren. Über 65 Milliarden Gallonen Wasser pro Jahr würden allein dadurch eingespart, dass die Sonne das Wasser am Verdampfen hindert. Zusätzlich würden die Paneele die Energie für das Pumpen des Wassers liefern, während das Wasser die Solarmodule gleichzeitig kühlt. Die Solaranlagen reduzieren zudem das Wachstum von Pflanzen und anderen Organismen, die den Kanal verstopfen und verschmutzen.

Fazit

All diese Innovationen stärken die Argumente für die ­Solarenergie und machen sie für jeden Marktakteur noch überzeugender. onsemi ermöglicht diese ­Energierevolution mit den zentralen Leistungshalbleitern, die die Arbeitspferde des Stromnetzes sind: Von traditionellen IGBTs und gelgefüllten Modulen bis hin zu Siliziumcarbid-MOSFETs der nächsten Generation und innovativen Transfer Molded ­Power ­Integrated Modules (TM-PIM) bietet das Unternehmen Lösungen für eine breite Palette von Leistungsstufen und Formfaktoren. Mit Gate-Treibern, Schutz, Stromversorgungen und mehr hat onsemi die komplette Lösung mit weltweitem Support und Anwendungs-Know-how für ­Solar- und Speicheranlagen sowie für EV-Ladegeräte.

Durch technologische Verbesserungen und die Erhöhung der Produktionskapazität sind die Kosten für Solarstrom in den letzten Jahrzehnten kontinuierlich gesunken. Der nächste Schritt besteht darin, die Installation und den Betrieb der Erzeugungsanlagen zu optimieren. Kreative Solarstandorte bringen dem Land, dem Ökosystem und der Infrastruktur, auf der die Module installiert werden, Vorteile, von denen alle profitieren. Diese Innovationen ­sollten im Blick behalten werden, denn ­erneuerbare ­Energien und die Umstellung des Stromnetzes werden ­weiter ­voranschreiten.

Erfahren Sie mehr über onsemi und die Ermöglichung der Energierevolution durch zentrale Leistungshalbleiter: www.onsemi.com.

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Die Quintessenz der Leidenschaft für Technologie und die lange Tradition von Renesas MCUs zeigt sich in jedem Aspekt der Renesas RA-Familie. Mit der neuesten Generation von MCUs der RA-Familie schafft Renesas die Voraussetzungen für innovative Produktideen für das Internet der Dinge (IoT) für alle Branchen. Modernste Arm® Cortex®-M33- und M23-Cores, die auf der Armv8-M-Architektur der neuesten Generation basieren. Exzellentes Embedded Flash, hochmoderne Security, starke Leistung und klassenbeste Peripherie-IPs. Alle sind mit einem Höchstmaß an Integration kombiniert und auf optimale Benutzerfreundlichkeit ausgelegt und gewährleisten eine schnelle Markteinführung.

Security integriert

Die RA-Familie integriert die Funktionalität von Secure Elements mit der integrierten Secure Crypto Engine im Zusammenspiel mit der Arm® TrustZone®-Technologie. Renesas konzentriert sich darauf, Security-Funktionalität direkt in die Mikrocontroller zu integrieren. Dadurch wird eine bessere Leistung, ein geringerer Stromverbrauch, größere Robustheit, höhere Flexibilität und kostengünstige Security-Lösungen für IoT-Geräte geboten. Während ein Secure Element sich gut für die Identity Provisioning eignet, kann die Installation von Schlüsseln und Zertifikaten die gesamte Bereitstellungsinfrastruktur erfordern.

Die MCUs von Renesas unterstützen flexible Anwendungsfälle. Vom sicherem Speichern von Klartextschlüsseln über die sichere Schlüsselinstallation, die entweder vom Geräteprogrammierer oder von der Anwendung durchgeführt werden kann. Bis hin zur Erstellung einer MCU-eigenen kryptografischen Identität, wobei der private Schlüssel niemals irgendwo außerhalb der MCU offengelegt wird.

Diese Fähigkeiten ermöglichen eine sichere Bereitstellung und Programmierung der Anwendungs-Firmware aus einer Hand. Mit dem Secure Key Storage von Renesas werden sowohl optimaler Durchsatz als auch höchste Vertraulichkeit erreicht. Da sich Sicherheitsangriffe ständig verändern, bietet Renesas ein einfaches und flexibles Upgrade der Security-Funktionalität und unbegrenzten Speicher für Schlüssel. Die integrierten Sicherheitsangebote der Renesas MCUs mit ihren NIST-zertifizierten kryptographischen Algorithmen und MCU-eigenen Schlüsselspeicherfähigkeiten sind die perfekte Grundlage, auf der sichere IoT-Geräte in der heutigen vernetzten Welt aufgebaut werden können.

Umfassende Konnektivität

Die RA-Familie bietet vielseitige Kommunikationsoptionen mit einem hohen Maß an Integration, einschließlich Ethernet, USB, serielle Hochgeschwindigkeitsschnittstellen und vieles mehr. Der riesige On-Chip-Speicher von bis zu 2 MB Flash und 640 kB RAM kann mit externem Flash und/oder RAM über die Quad- und OctaSPI-Schnittstellen problemlos erweitert werden. Die ausgereiften analogen Funktionen, flexiblen Timer und viele weitere hochmoderne Peripherien machen die RA-Familie zu einer vollständigen Allzweck-MCU.

Hohe Leistung, niedriger Strombedarf

Die RA-Familie steigert die Leistung und reduziert gleichzeitig den Stromverbrauch mit einer Betriebsfrequenz von bis zu 200 MHz und einem Stromverbrauch von 80 uA/MHz, während der CoreMark-Algorithmus aus dem Flash ausgeführt wird. Mit der neuesten 40-nm-Prozesstechnologie ist Renesas in der Lage, sowohl den aktiven als auch den Stand-by-Stromverbrauch zu verbessern. Die RA-Familie ist eine MCU mit hoher Leistung und geringem Stromverbrauch.

Reduzierte Kosten

Die RA-Familie reduziert die Systemkosten durch ihren einzigartigen Integrationsgrad. Die integrierte Secure-Element-Funktionalität ist nur eines von vielen Beispielen dafür, wie externe Komponenten überflüssig gemacht werden können. Der interne Daten-Flash kann eine externe EEPROM für nichtflüchtige, updatefähige Speicher überflüssig machen. Der hochpräzise On-Chip-Oszillator ermöglicht den quarzlosen Betrieb sowohl des USB FS Host als auch des Geräte-Modus. Die MCU arbeitet mit einem Single-Rail-Netzteil mit breitem Eingangsspannungsbereich.

Die Nutzung dieser Funktionen bietet viele Möglichkeiten, externe Komponenten zu reduzieren und General-Purpose Inputs/Outputs (GPIOs) frei zu machen, wodurch die Auswahl kleinerer Gehäuse und die Reduzierung der Leiterplattengröße sowie der Stücklistenkosten möglich wird.

Skalierbare Lösung

Die RA-Familie bildet die Grundlage für ein skalierbares Produktangebot, das aus einer umfangreichen pinkompatiblen MCU-Produktreihe besteht. Das beginnt bei der RA2-Serie mit Cortex-M23, die einen minimalen Stromverbrauch von 66 uA/MHz, einen breiten Eingangsspannungsbereich von 1,6 V bis 5,5 V sowie verbesserten kapazitiven Touch bietet. Das andere Ende der Produktreihe bildet die RA4-Serie mit 100 MHz und die RA6-Serie mit 200 MHz Cortex-M33. Dies macht die RA-Familie zur ersten Wahl als Plattform für eine Vielzahl von Endprodukten.

Time-to-Market verkürzen

Das RA „Flexible Software Package“ (FSP) verkürzt die Time-to-Market mit serienreifen, leistungsstarken und hocheffizienten Treibern mit portablen APIs. Die Werkzeuge von Renesas bieten intuitive Konfiguratoren für Treiber, Stacks, Pin-Auswahl und Clock-Tree-Konfiguration. Das FSP ist ein offenes Ökosystem, das die Integration vorhandener Anwendungen und Middleware ermöglicht. Das offene Software-paket ist über Github erhältlich.

Bei Renesas geht es darum, große Ideen zu verwirklichen. Da jede Entwicklung mit einer Idee beginnt, benötigen Ingenieure eine schnelle und vielseitige Möglichkeit, sicher verbundene Geräte zu realisieren und komplexe Ideen mit einer einfach zu bedienenden Plattform umzusetzen. Der Einsatz der Mikrocontroller der RA-Familie von Renesas Arm zusammen mit dem RA FSP macht die Embedded-Entwicklung einfacher denn je. Mit einem Lebensdauerversprechen von bis zu 15 Jahren und der aufrüstbaren Sicherheitsfunktionalität bleibt jedes Endprodukt auch in den kommenden Jahren lebensfähig.

Erfahren Sie mehr über Renesas www.renesas.com.

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Perspektiven für maschinelles Lernen im Gesundheitswesen

Es gibt ein breites Spektrum von Möglichkeiten, wie ML zur Lösung wichtiger Probleme im Gesundheitswesen eingesetzt werden kann. Zum Beispiel verwenden die digitale ­Pathologie, Radiologie, Dermatologie, Gefäßdiagnostik und Augenheilkunde Standard-Bildverarbeitungstechniken.

Das Röntgen des Brustkorbs ist das am häufigsten durchgeführte radiologische Verfahren mit weltweit über zwei Milliarden Scans pro Jahr. Was 548.000 Scans pro Tag entspricht. Jedenfalls stellt eine solch riesige Menge an Scans eine hohe Belastung für Radiologen dar. Und auch eine hohe Anforderungen an die ­Effizienz der Arbeitsabläufe. Häufig übertreffen ML-, Deep-Neural-Network-(DNN-) und Convolutional-­Neural-Networks-(CNN-)Methoden den Radiologen in Geschwindigkeit und ­Genauigkeit. Die Kenntnisse und Erfahrungen eines Radiologen sind nach wie vor von größter Bedeutung. Jedoch kann unter Stress, z.B. während eines schnellen Entscheidungsprozesses, die menschliche Fehlerquote bis zu 30 Prozent betragen. Die Unterstützung des Entscheidungsprozesses durch ML-Methoden kann die Qualität der Ergebnisse verbessern. Außerdem kann sie den Radiologen und anderen Spezialisten als ein zusätzliches Werkzeug an die Hand geben.

Maschinelles Lernen auf dem Prüfstand

Die Validierung von ML kommt heute aus mehreren und sehr zuverlässigen Quellen. In einer Studie der Stanford ML Group wurde ein 121-Schicht-CNN ausgebildet, um Lungen­entzündungen besser als vier Radiologen zu erkennen. In mehreren anderen Studien des National Institute of ­Health erreichten Versuche zur Früherkennung, unter Verwendung eines DNN-Modells, eine bessere Genauigkeit. Sogar besser als die Diagnose mehrerer Radiologen gleichzeitig – von bösartigen Lungenknoten bis hin zur Diagnose von Lungenkrebs.

Viele Eingriffe in der Radiologie, Pathologie, Dermatologie, Gefäßdiagnostik und Augenheilkunde werden mit hohen Auflösungen durchgeführt und erfordern eine komplexe Bildverarbeitung. ­Außerdem kann der ML-Workflow rechen- und speicher­intensiv sein. Die vorherrschende Berechnung ist die lineare Algebra. Sie erfordert viele Rechenschritte und berücksichtigt eine Vielzahl von Parametern.

Dies führt zu Milliarden von Multiply-Accumulate-­(MAC-)­Operationen und Hunderten von Megabyte an Parameterdaten. Außerdem nutzt es eine Vielzahl von Operatoren sowie ein ­hochgradig verteiltes Speichersubsystem. Daher ist es ineffizient, ­genaue Bildinferenzen für die Gewebeerkennung oder -klassifizierung mit herkömmlichen Rechenmethoden auf PCs und GPUs durchzuführen. Entsprechend suchen Unternehmen des ­Gesundheitssektors nach alternativen Techniken, um dieses Problem zu lösen.

Verbesserte Effizienz mit ACAP-Systemen

Die Xilinx-Technologie bietet eine heterogene Architektur, um eine Verteilung auf viele Rechenkerne und zugehörige Speicher zu ermöglichen. Dies löst das beschriebene Problem für ­Unternehmen im Gesundheitswesen. Die Xilinx ­Versal Adaptive-Compute-Acceleration-Platform-(ACAP-)Familie besteht aus System-on-Chips (SoCs) mit ­anpassungsfähigen Field Programmable Gate Arrays (FPGAs), integrierten digitalen Signalprozessoren (DSPs), integrierten Beschleunigern für Deep Learning, SIMD VLIW-Engines mit einer hochgradig verteilten lokalen Speicherarchitektur und Multiprozessorsystemen. Sie sind bekannt für ihre Fähigkeit, mit hoher Geschwindigkeit massiv parallele Signalverarbeitungen von Daten in nahezu Echtzeit durchzuführen.

Darüber hinaus kann Versal ACAP über ein Network-on-Chip (NoC) mit einer Bandbreite von mehreren Terabit pro ­Sekunde vernetzt werden und verfügt über eine fortschrittliche AI-Engine mit Hunderten von eng integrierten ­VLIW-SIMD-­Prozessoren. Dies bedeutet, dass die Rechen­kapazität über 100 Tera operations per second (TOPS) hinausg­ehen kann.

Die Bausteineigenschaften verbessern das Verhältnis von Performance zu Verlustleistung bei der Anwendung komplexer ML-Algorithmen erheblich und tragen dazu bei, medizintechnische Anwendungen mit weniger Ressourcen, Kosten und Energie durchzuführen und trotzdem deutlich zu beschleunigen. Versal ACAP hat somit die Unterstützung für rekursive Netzwerke und der zugehörigen Bibliotheken ­bereits in seiner Architektur eingebaut.

Xilinx verfügt über ein innovatives Ecosystem für Algorithmen- und Anwendungsentwickler. Die Softwareplattformen Vitis für die Anwendungsentwicklung und Vitis AI für die ­Optimierung sowie für den Einsatz beschleunigter ML-­Inferenz machen es einfach, hochentwickelte Prozessoren aus der ­Familie der ACAPs einzusetzen.

Arbeitsabläufe im Gesundheitswesen und bei medizinischen Geräten sind großen Veränderungen unterworfen. Künftig werden medizinische Workflows „Big Data“ nutzen, was deutlich höhere Anforderungen an Rechenleistung, Schutz vor unberechtigtem Zugriff, Patientensicherheit und Präzision stellt. Verteilte, nichtlineare, parallele und heterogene Rechenplattformen sind der Schlüssel dazu, diese Komplexität in den Griff zu bekommen. ICs von Xilinx und speziell die Familie Xilinx Versal und die Software-Plattform Vitis sind ideal für die Bereitstellung der optimierten Architekturen für Künstliche Intelligenz in medizintechnischen Anwendungen in der Zukunft.

Erfahren Sie mehr über Xilinx www.xilinx.com.

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