di Denise Eribes* | I progettisti di sistemi embedded si muovono da tempo in un mondo fatto di categorie chiare, ben definite. I microcontrollori gestiscono compiti semplici e in tempo reale, a basso costo e basso consumo energetico.
I microprocessori utilizzano sistemi operativi ricchi e applicazioni complesse, ma richiedono più componenti esterni e budget energetici più elevati. Per decenni, scegliere tra loro è stato semplice. Oggi, questa chiarezza sta rapidamente svanendo, e la ragione è la crescita incessante di ciò che ci si aspetta che facciano le applicazioni embedded.
Dall’automazione industriale ai dispositivi medici, dagli hub per smart home ai nodi edge di Intelligenza Artificiale, i sistemi embedded ora richiedono regolarmente la connettività, lo spazio di elaborazione e il livello di sofisticatezza del software un tempo associati esclusivamente ai dispositivi di classe Mpu. Il tutto pur richiedendo affidabilità, determinismo e sensibilità ai costi che hanno reso le Mcu il cavallo di battaglia della progettazione embedded. La convergenza di queste esigenze sta rimodellando il panorama dei semiconduttori e costringendo i progettisti a ripensare il modo in cui classificano e selezionano i processori.
Oltre le architetture tradizionali
L’Mcu tradizionale eccelle in compiti che richiedono un preciso controllo del timing, una risposta prevedibile agli interrupt e il funzionamento da un chip autonomo con flash e Ram integrate.
Queste caratteristiche rendevano le Mcu la scelta predefinita per il controllo motori, la lettura dei sensori e le semplici interfacce uomo-macchina. Ma i prodotti odierni hanno sempre più bisogno di connettività wireless sicura, display grafici, sistemi operativi in tempo reale o stack software Linux, e la capacità di elaborare i dati localmente invece di inviarli al cloud. Gli Mcu standard sono sottoposti a questi requisiti.
Allo stesso tempo, le Mpu tradizionali, progettate assumendo la presenza di Dram Flash esterna, e una gestione dell’alimentazione sofisticata, comportano una complessità e un costo a livello di sistema maggiori di quanto molte applicazioni embedded possano giustificare.
I progettisti che si rivolgono a un processore applicativo completo per ottenere prestazioni spesso si trovano a lottare con lo spazio sulla scheda, il costo dei materiali e l’esposizione alla catena di approvvigionamento che non avevano previsto. Nessuno dei due estremi si adatta perfettamente, e il divario tra loro è diventato terreno fertile per una nuova classe di dispositivi.
La convergenza che cambia l’embedded
La risposta dell’industria dei semiconduttori è stata l’emergere delle Mpu entry-level, dispositivi che offrono capacità di elaborazione di classe Mpu incorporando scelte di design tradizionalmente associate agli Mcu.
Queste includono configurazioni integrate di Sram, system-in-package che incorporano la Dram accanto al die del processore, periferiche on-chip che eliminano componenti esterni e architetture di potenza adatte a applicazioni a batteria o con vincoli termici. Nel settore, alcuni protagonisti come Microchip Technology, hanno iniziato a chiamare questi dispositivi “microcontrollori ibridi”, un termine che ne cattura la doppia identità.
Essi eseguono Linux o altri sistemi operativi gestiti, supportano standard di connettività moderni e forniscono lo spazio di elaborazione per l’inferenza e le interfacce grafiche di machine learning. Eppure, lo fanno con un’impronta di sistema, un profilo energetico e un livello di integrazione che i progettisti di prodotti basati su Mcu troveranno familiari e gestibili. L’etichetta riflette appieno un cambiamento nell’approccio alla progettazione embedded e una realtà architettonica originale.
L’integrazione è il fattore distintivo
Nel valutare i dispositivi, arrivati a questo “incrocio”, i progettisti dovrebbero guardare oltre la sola velocità del processore, ed esaminare il grado di integrazione che il dispositivo offre.
Un processore che richiede cinque o sei componenti esterni per diventare funzionale comporta costi nascosti: l’area della scheda, la complessità di assemblaggio, la qualificazione dei componenti e, cosa fondamentale, anche il rischio nella supply chain. Il mercato delle Dram in particolare si è dimostrato volatile, con carenze capaci di fermare la produzione anche quando il processore stesso è disponibile.
I dispositivi che integrano la memoria, sia tramite Sram integrata sul chip sia tramite packaging SiP che combina processore e Dram in un unico componente qualificato, riducono l’esposizione a questa vulnerabilità. I progettisti dovrebbero chiedere ai fornitori non solo cosa può fare un dispositivo, ma quante decisioni separate sulla catena di approvvigionamento richiede. Un singolo SiP qualificato, come la famiglia SAM9X di Mcu ibridi di Microchip, può semplificare l’approvvigionamento, la qualificazione e la pianificazione della disponibilità a lungo termine in modi che una soluzione multichip non può eguagliare.
Il ruolo degli ecosistemi software
L’integrazione hardware da sola non risolve la sfida che i progettisti devono affrontare al confine Mcu-Mpu.
La complessità del software è spesso l’ostacolo più grande. Il dispositivo giusto per questo settore è dotato di un ecosistema software robusto: Bsp precostruiti, distribuzioni Linux ben mantenute, progetti di riferimento e hardware di valutazione che permettono agli ingegneri di prototipare rapidamente.
I progettisti dovrebbero esaminare non solo il datasheet del processore, ma anche la profondità del supporto software del fornitore, l’attività della comunità di sviluppatori e la qualità della documentazione. Un processore tecnicamente capace con scarso supporto software può costare di più in termini di tempo di ingegneria rispetto a un dispositivo leggermente meno performante con eccellenti risorse già pronte all’uso.
Un quadro di valutazione più sfumato
L’implicazione pratica per i gruppi di progettazione è che la vecchia domanda binaria (usiamo un Mcu o un Mpu?) non rappresenta più un punto di partenza adeguato. La domanda giusta è più sfumata:
- Quale livello di prestazioni di elaborazione richiede davvero l’applicazione?
- Quale sistema operativo o framework software richiede l’applicazione?
- Quanto spazio sulla scheda, complessità della bill of material ed esposizione alla supply chain può assorbire il prodotto?
- E per quale durata di vita il prodotto deve rimanere disponibile e supportato?
Le Mpu entry-level e i dispositivi ibridi Mcu rispondono a queste domande in modo diverso rispetto a entrambe le categorie tradizionali. Offrono un percorso verso capacità di classe Linux senza l’intero sovraccarico di sistema di un processore applicativo di fascia alta e offrono molto più spazio rispetto a un Mcu convenzionale. I progettisti che mappano attentamente i loro requisiti rispetto a queste caratteristiche prenderanno decisioni migliori sulla piattaforma.
Adattarsi al cambiamento
La convergenza delle esigenze applicative attraverso quelle che un tempo erano categorie di processori distinte non è una tendenza temporanea.
Man mano che l’edge AI, l’industrial IoT e i dispositivi di consumo connessi continuano a proliferare, l’aspettativa che i sistemi embedded debbano essere contemporaneamente capaci, connessi, compatti ed economici aumenterà ulteriormente. La tradizionale divisione Mcu-Mpu continuerà a erodersi.
I progettisti che riconoscono questo cambiamento precocemente e che valutano i processori in base alla profondità di integrazione, alla qualità dell’ecosistema software, alla resilienza della supply chain e al supporto del ciclo di vita, anziché delle tradizionali etichette di categoria, saranno meglio posizionati per costruire prodotti che soddisfino le esigenze attuali e si adattino alle esigenze di domani. I confini tra Mcu e Mpu si stanno sfumando per necessità. La strategia vincente è smettere di tracciare quei limiti e iniziare a pensare a ciò di cui l’applicazione ha davvero bisogno.
* Denise Eribes è Product Marketing Manager, Mpu Business Unit di Microchip Technology
