Известный производителей микросхем – компания Atmel, чья штаб-квартира расположена в самом сердце Кремниевой Долины, сегодня выпустила первую партию микроконтроллеров с рекордно низким энергопотреблением. Чипы серии SMART SAM L21 на базе архитектуры ARM с разрядностью 32 бита могут радикально изменить представления о типичном времени автономной работы небольших интеллектуальных устройств и даже сделать применение Li-Ion аккумуляторов для них неоправданным.

Скорость развития «интернета вещей» сильно сдерживается энергопотреблением устройств. Ёмкую батарею просто негде разместить в носимых гаджетах, а солнечные панели, термоэлектрические или другие преобразователи энергии пока не удаётся использовать настолько же эффективно.

FM-трансмиттер на базе платы SAM L21 Xplained Pro, питающийся от с термоэлектрического преобразователя. (фото: atmel.com).
FM-трансмиттер на базе платы SAM L21 Xplained Pro, питающийся от с термоэлектрического преобразователя. (фото: atmel.com).

Основные затраты энергии у типичного гаджета приходятся на подсветку экрана и питание микропроцессора. Если использовать дисплей на электронных чернилах, то время автономной работы вырастет в разы и будет измеряться уже днями. Отказ от экрана – ещё более радикальный способ, но подзаряжать устройство всё равно придётся регулярно. Его процессор обрабатывает информацию от датчиков и модулей беспроводной связи практически постоянно.

Процессоры общего назначения для мобильных и встраиваемых систем – не самое изящное решение в сфере IoT. Например, компания Intеl давно продвигает SoC на базе различных модификаций Atom. Среди её однокристальных систем Silvermont есть чипы с TDP до трёх ватт, что ещё недавно казалось прорывом. Между тем, для микросхем с архитектурой ARM типичны значения в доли ватта, но это всё равно слишком много для таких простых применений, как сбор информации от датчиков и передача данных по Bluetooth LE. Здесь не нужна ни высокая тактовая частота, ни большой кэш, ни расширенные наборы инструкций. Требуется более специализированный продукт, который по-прежнему легко интегрировать с другими компонентами и программировать привычным образом.

Новые чипы серии SAM L21 на базе ядра ARM Cortex-M0+ работают на частоте до 48 МГц, обеспечивая энергопотребление на уровне 35 мкА / МГц в активном режиме и до 200 нA в состоянии глубокого сна. Менеджер по маркетингу Atmel Андреас Йеланд (Andreas Eieland) пояснил, как удалось достичь таких показателей: «В традиционной реализации режима сна отключаются все блоки контроллера, кроме часов реального времени. Это необходимо для того, чтобы после пробуждения он оставался синхронизирован. В L21 мы полностью изменили схему пониженного энергопотребления. Весь чип разделён на пять доменов, и остаточный ток может забираться от неиспользуемых модулей. К тому же, периферийные устройства продолжают взаимодействовать даже когда контроллер спит».

Пять доменов контролллера SAM L21 (изображение: Atmel).
Пять доменов контролллера SAM L21 (изображение: Atmel).

Обычно с низкой мощностью ассоциируется малая функциональность, но в случае чипов серии L21 это не так. В них реализован двенадцатиразрядный АЦП (в модификации L21J он двадцатиканальный) и связь с периферийными устройствами в режиме моста: вся периферия может общаться напрямую без участия контроллера. Чип также содержит хост USB 2.0 (в режиме Full Speed), выполненный на базе внутреннего RC-генератора, и набор инструкций для оптимизации криптографических вычислений по алгоритму AES. Для хранения данных используется до 256 КБ встроенной флеш-памяти и до 40 КБ ОЗУ. Серия насчитывает десять модификаций, в которой найдутся подходящие решения для самых разных задач.

Изюминкой серии L21 стал периферийных сенсорный контроллер Atmel QTouch, который обеспечивает встроенную аппаратную поддержку управляющих элементов. Действия с кнопками, слайдерами, колесиками прокрутки, датчиком приближения, а также нажатия на сенсорные экраны всех типов могут обрабатываться чипом L21 без использования внешних компонентов.

Блок-схема микроконтроллера серии L21 (изображение: Atmel).
Блок-схема микроконтроллера серии L21 (изображение: Atmel).

Другой особенностью этого микроконтроллера стал инновационный модуль последовательной связи (SERCOM). Он полностью программно-конфигурируемый и служит для обработки подключений по интерфейсам I2C, USART / UART и SPI. Одновременно чип может работать с четырьмя или шестью модулями SERCOM. Контроллер DMA используется 16-канальный, поддерживающий как работу оперативной памяти, так и периферийных устройств передачи данных. Чип также содержит три операционных усилителя, два аналоговых компаратора и программируемый логический блок.

Топовая модификация L21J18A потребляет при пиковой нагрузке 6 мВт, но в реальных задачах из сферы “интернет вещей” такая нагрузка бывает всего несколько секунд в сутки. Большую часть времени микроконтроллер находится в состоянии сна. Если бы не саморазряд и старение Li-Ion аккумулятора, то первоначальной ёмкости батареи типичного смартфона хватило бы Atmel L21 на годы работы. На базе этого чипа запущено производство комплекта SMART SAM L21 Xplained Pro с макетной платой и DIY-компонентами для быстрого прототипирования электронных схем. Базовая комплектация обойдётся в $54.