„Ultra-High-Performance-MCU“ Renesas: Erster Mikrocontroller mit Arm-Cortex-M85-Prozessor

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Ausgestattet mit Arms Helium-Technologie für mehr DSP- und KI/ML-Leistung sollen die neuen RA8-MCUs von Renesas Electronics die Leistungslücke zwischen MCU und MPU im eigenen Portfolio schließen. Vielfältige Security-, Schnittstellen- und Power-Managementfunktionen machen die Bausteine besonders für smarte Edge-Anwendungen interessant.

Mikrocontroller-Marktführer Renesas Electronics Corporation (Renesas) hat die nach eigenen Angaben „weltweit leistungsstärksten MCUs der Branche“ vorgestellt. Als erstes Unternehmen setzt Renesas Cortex-M85-Prozessoren von Chipdesigner Arm ein. Damit sollen die neuen MCUs der RA8-Produktfamilie eine Rechenleistung von 6,39 Coremark/MHz [1] erreichen, bei einer maximalen Taktfrequenz von 480 MHz also über 3.000 Coremark-Punkte. Laut Bernd Westhoff, Director Microcontroller Product Marketing (Global) von Renesas, ist mit den neuen Bausteinen ein vollständig deterministischer Echtzeitbetrieb mit geringer Latenz möglich: „Auf dieser Basis können Systementwickler die RA-MCUs in Anwendungen einsetzen, für die bisher Mikroprozessoren erforderlich waren“, sagt der Manager im Gespräch mit ELEKTRONIKPRAXIS. Die neue Serie ist Teil der beliebten, auf Arm-Cortex-Prozessoren basierenden RA-MCU-Familie von Renesas. Laut Westhoff lassen sich bestehende Designs, die für andere RA-Bausteine entwickelt wurden, problemlos auf die neuen RA8-MCUs migrieren.

Helium-Technologie beschleunigt KI-Inferenzberechnungen

Die neuen MCUs der RA8-Serie nutzen zudem die Helium-Technologie von Arm. Helium ist die M-Profile Vector Extension von Arm, die eine 4-fache Leistungssteigerung für digitale Signalprozessoren (DSP) und maschinelles Lernen (ML) im Vergleich zu MCUs auf Basis des Arm Cortex-M7-Prozessors erreichen soll – eine gute Nachricht für Entwickler: Die können aufgrund der Leistungssteigerung in einigen Anwendungen auf den Einsatz eines zusätzlichen DSP in ihren Systemen verzichten.

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Bereits auf der Embedded World 2023 hatte Renesas die mit der Helium-Technologie mögliche Performance-Steigerung auf einem Silizium demonstiert. Seit geraumer Zeit legt Renesas einen Fokus auf den Bereich AI für Edge- und Endpunkt-Anwendungen und verfügt mittlerweile über eine breite Palette an Embedded-AI- und TinyML-Lösungen für Automotive-, Industrie- und Consumer-Anwendungen. Diese basieren auf den Reality AI Tools von Renesas sowie auf einem umfangreichen Portfolio an Embedded-Processing- und IoT-Angeboten. Die neuen MCUs der RA8-Serie reihen sich hier ein: Laut Westhoff eignen sie sich sehr gut für die Verarbeitung natürlicher Sprache in Voice-AI- und Predictive-Maintenance-Anwendungen. Die Helium-Technologie beschleunigt hier die Verarbeitung neuronaler Netzwerke, sprich Inferenzanwendungen.

Vielfältige Security-Features

Besonderen Wert legt Renesas bei den MCUs der RA8-Serie auf integrierte Security-Funktionen. So umfasst der Cortex-M85-Core die TrustZone-Technologie von Arm, die eine Isolierung und Partitionierung in sicheren und nicht sicheren Speicher, Peripherie und Code ermöglicht. Darüber hinaus hat der Hersteller seine neueste „Renesas Security IP“ (RSIP-E51A) integriert. Diese enthält kryptografische Beschleuniger und unterstützt laut Westhoff eine True-Secure-Boot-Funktionalität.

„Zu den weiteren Security-Funktionen gehören unveränderbarer Speicher für ein leistungsstarkes Hardware Root-of-Trust, Octal SPI mit Decryption-on-the-fly (DOTF), sicheres authentifiziertes Debugging, sichere Programmierung der Werkseinstellungen und Manipulationsschutz“, sagt Westhoff. In Verbindung mit der Arm TrustZone soll dies eine umfassende und vollständig integrierte Secure-Element-Funktionalität ermöglichen. Die Armv8.1-M-Architektur, die die neue RA8-MCU-Familie einsetzt, enthält zudem die Security-Erweiterung PACBTI (Pointer Authentication and Branch Target Identification). Diese soll einen starken Schutz vor Software-Angriffen bieten, die auf Verletzungen der Speichersicherheit und Speicherbeschädigungen abzielen. Mit seiner neuen RA8-Serie strebt Renesas Zertifizierungen nach PSA Certified Level 2 + Secure Element (SE), NIST CAVP und FIPS 140-3 an.

Zahlreiche Low-Power-Funktionen

Die Bausteine der RA8-Serie verfügen nach Angaben von Westhoff über neue Low-Power-Funktionen und mehrere Low-Power-Modi zur Verbesserung der Energieeffizienz, ohne bei der erzielbaren Rechenleitung Abstriche machen zu müssen. „Eine Kombination aus Low-Power-Modi, unabhängigen Power-Domains, niedrigerem Spannungsbereich, schneller Aufwachzeit und den typischen niedrigen Aktiv- und Standby-Strömen ermöglicht eine Senkung des Gesamtsystemverbrauchs“, sagt der Renesas-Manager. Anwender könnten damit regulatorische Anforderungen erfüllen. Der neue Arm Cortex-M85-Kern soll auch verschiedene DSP/ML-Aufgaben bei deutlich geringerer Leistungsaufnahme ausführen können.

Renesas hat bereits mit der Serienauslieferung der ersten Bausteine der RA8-Serie, der RA8M1 Group, begonnen. Dies sind General-Purpose-Bausteine, die verschiedene rechenintensive Anwendungsbereiche adressieren, etwa Industrieautomatisierung, Haushaltsgeräte, Smart Home, Consumer, Gebäude-/Heimautomatisierung, Medizintechnik und KI in Anwendungen wie Fingerabdruckscanner, Thermostate, SPS, Smart Meter und Heimnetzwerke.

Die MCUs der RA8M1 Group basieren auf einem Cortex-M85-Core von Arm mit Helium-Technologie und TrustZone, der mit maximal 480 MHz taktet. Ihm zur Seite stehen 2 MByte beziehungsweise 1 MByte integrierter Flash-Speicher und 1 MByte SRAM (einschließlich TCM, 512 KB ECC-geschützt). Als Peripherie können Entwickler auf xSPI-konforme Octal SPI mit XIP und Decryption-on-the-fly (DOTF), CAN-FD, Ethernet, USBFS/HS, 16-Bit-Kameraschnittstelle und I3C sowie weitere Schnittstellen zugreifen. Als „Advanced Security“-Funktionen sind laut Westhoff hochentwickelte kryptografische Algorithmen, TrustZone, Immutable Speicher, Manipulationssicherheit mit DPA/SPA-Angriffsschutz, Secure Debugging, sichere Programmierung der Werkseinstellungen und Lifecycle-Management-Unterstützung integriert. Die MCUs sind in 100/144/176 LQFP- und 224 BGA-Gehäusen verfügbar.

Umfangreiches Software- und Tools-Ökosystem

Renesas hat bereits die Unterstützung für die neuen RA8M1-MCUs in sein Flexible Software Package (FSP) integriert. Das FSP ermöglicht nach eigenen Angaben eine schnellere Anwendungsentwicklung, indem es die gesamte benötigte Infrastruktursoftware bereitstellt. Hierzu gehören laut Westhoff mehrere RTOS, BSP, Peripherie-Treiber, Middleware, Konnektivität, Netzwerk- und Security-Stacks sowie Referenzsoftware für den Aufbau komplexer KI-, Motorsteuerungs- und Cloud-Lösungen. „Anwender können ihren eigenen Legacy-Code und das RTOS ihrer Wahl in das FSP integrieren und erhalten so volle Flexibilität bei der Anwendungsentwicklung“, sagt der Manager. Das FSP erleichtere so die Migration bestehender Designs auf die neuen Bausteine der RA8-Serie.

Eine Reihe von Kunden entwickelt demnach bereits mit den MCUs der RA8M1 Group: Mantra Softech, ein branchenführender Anbieter von Biometrielösungen, hat die Bausteine beispielsweise in einem neuen Fingerabdruckscanner eingesetzt. Hiren Bhandari, Technical Director bei Mantra, erläutert: „Wir sind von der Funktionalität und Effizienz der RA8M1-MCUs begeistert. Die Kombination aus hoher Leistung und Helium-Technologie ermöglicht es uns, KI-Funktionen in unsere Lösung zu integrieren. Das verschafft uns einen Marktvorteil. Darüber hinaus konnten wir dank der Kameraschnittstelle und des großen Speichers unser Design vereinfachen.“

Winning Combinations

Wie von seinen anderen Bausteinen gewohnt hat Renesas die neuen MCUs der RA8M1 Group bereits mit kompatiblen Bausteinen aus seinem Portfolio zu sogenannten „Winning Combinations“ kombiniert. Dazu gehören intelligente Roboterstaubsauger und Smart Glasses. Winning Combinations sind laut Hersteller technisch ausgereifte Systemarchitekturen aus miteinander kompatiblen Bausteinen, die nahtlos zusammenarbeiten. Damit sollen sich schnell garantiert funktionsfähige Designs für eine schnellere Markteinführung entwickeln lassen. Renesas bietet Stand heute mehr als 400 Winning Combinations mit einer breiten Palette von Produkten aus seinem Portfolio an, um den Entwicklungsprozess zu beschleunigen und Produkte schneller auf den Markt zu bringen.

Nach Angaben von Westhoff sind die MCUs der RA8M1 Group ab sofort zusammen mit der FSP-Software erhältlich. Renesas stellt zudem das RA8M1 Group Evaluation Kit (RTK7EKA8M1S00001BE) bereit. Mehrere Renesas Ready Partner sollen ebenfalls bereits unmittelbar einsatzbereite Lösungen für die RA8M1-MCUs im Portfolio führen. „Renesas freut sich über weitere Partner, die ihre Softwarelösungen portieren möchten, um von den Vorteilen des Cortex-M85-Kerns und der Helium-Technologie zu profitieren“, sagt Westhoff. Muster und Kits können entweder über die Renesas-Website oder über Distributoren angefordert werden. (me)

[1] CoreMark ist ein Benchmark von EEMBC und misst die Leistung von MCUs und CPUs, die in Embedded-Systemen zum Einsatz kommen.

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