SoC wireless per dispositivi sanitari connessi

Negli ultimi due decenni il settore sanitario ha adottato sempre più la tecnologia digitale. La pandemia COVID-19 ha contribuito ad accelerare questa evoluzione. L'accesso remoto all'assistenza sanitaria, reso necessario dalla pandemia, ha evidenziato numerosi altri vantaggi, come una fornitura di assistenza sanitaria più efficiente e il monitoraggio continuo dei pazienti. I progressi tecnologici hanno dato vita all'Internet delle cose medicali (IoMT), in cui le reti di pazienti con dispositivi e sensori medici portatili e/o indossabili e i relativi sistemi e fornitori di assistenza sanitaria sono collegati tramite Internet. I misuratori dei livelli di glucosio nel sangue e i monitor cardiaci sono esempi di dispositivi ora diffusi. I dispositivi IoMT aiutano ad automatizzare il trasferimento dei dati, riducendo così l'errore umano. I progressi nell'analisi predittiva dei dati e nell'intelligenza artificiale (IA) rendono i dispositivi IoMT ancora più potenti, per una diagnostica guidata dai dati con il rilevamento precoce delle anomalie, una maggiore partecipazione alle cure del paziente e una riduzione dei costi legati alla sanità.

Requisiti chiave per i dispositivi IoMT

• Sicurezza: la natura sensibile delle informazioni mediche trasferite richiede un elevato livello di sicurezza. Advanced Encryption Standard (AES) e la crittografia a curva ellittica (ECC) sono in grado di crittografare e decrittografare il trasferimento di dati utilizzando chiavi sicure e quindi di autenticare i dati. Le chiavi basate su un generatore di numeri casuali reali (TRNG) nel dispositivo contribuiscono alla generazione sicura di queste chiavi. Gli attacchi di spoofing possono essere ridotti al minimo con l'uso dell'identificazione del dispositivo mediante funzioni uniche fisicamente non clonabili (PUF) all'interno del dispositivo a semiconduttore. I protocolli hardware di avvio sicuro e i meccanismi antimanomissione che impediscono l'accesso alle aree protette della memoria del dispositivo contribuiscono a migliorare la sicurezza del dispositivo.
• Consumo energetico: i dispositivi indossabili e portatili funzionano tipicamente a batteria. Protocolli di comunicazione a basso consumo come Bluetooth LE 5.x, modalità di risparmio energetico quando il dispositivo non è attivo e un'architettura efficiente che ottimizza le prestazioni operative rispetto al consumo energetico sono alcune caratteristiche essenziali che possono massimizzare la durata della batteria.
• Ricco set di funzioni in dimensioni compatte: i dispositivi piccoli e leggeri sono ideali l'uso in applicazioni medicali indossabili e portatili. Nuove applicazioni, come gli impianti dentali intelligenti, richiedono fattori di forma minuscoli. Il concetto di SoC (System-on-Chip) offre un elevato livello di integrazione multifunzionale su un singolo chip. Ciò può includere una serie di funzioni periferiche che forniscono rilevamento, misurazione, trasformazione dei dati e comunicazione analogica e digitale ad alta velocità. Altri requisiti essenziali sono la connettività wireless, l'elaborazione dei dati ad alta velocità con un'ampia memoria flash e RAM, orologi e timer di precisione a bassa frequenza/bassa potenza, regolazione della tensione c.c./c.c. e così via.

Famiglia di SoC Gecko wireless EFRBG27 di Silicon Labs per applicazioni IoMT

Nel marzo 2023 Silicon Labs ha annunciato una nuova famiglia di dispositivi sicuri e a basso consumo energetico che ampliano la gamma di dispositivi wireless Gecko. Questa include la serie BG27 di dispositivi SoC Bluetooth LE, ideali per le applicazioni IoMT.

La Figura 1 mostra un diagramma a blocchi del ricco set di funzioni incluso nei SoC BG27. Di seguito sono riportati alcuni dettagli sulle caratteristiche principali:

Figura 1: Caratteristiche della famiglia di SoC wireless Gecko EFR32BG27. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

Processore e memoria: il core RISC ARM Cortex® M33 a 76,8 MHz e 32 bit con istruzioni DSP e unità a virgola mobile offre una capacità di elaborazione del segnale ad alte prestazioni a 1,50 Dhrystone MIPS/MHz. Include la tecnologia di sicurezza ARM TrustZone. La memoria flash è di 768 kB, mentre la memoria dati è costituita da 64 kB di RAM. Il controller ad accesso diretto di memoria (LDMA) consente al sistema di eseguire operazioni di memoria indipendentemente dal software, riducendo così il consumo energetico e il carico di lavoro del software.

Modalità a basso consumo: EFR32BG27 include un'unità di gestione dell'energia (EMU) che gestisce le transizioni delle modalità energetiche (da EM0 a EM4) del SoC. Con EMU, le applicazioni possono ridurre dinamicamente il consumo energetico durante l'esecuzione dei programmi. La modalità EM0 offre il maggior numero di funzioni, come l'abilitazione della CPU, della radio e delle periferiche alla massima frequenza di clock. Le periferiche possono essere disattivate nelle modalità attive a basso consumo EM2, EM3. La regolazione della tensione viene utilizzata dall'EMU durante la transizione tra le modalità energetiche per ottimizzare l'efficienza energetica operando, quando possibile, a tensioni inferiori. EM4 è uno stato inattivo, a basso consumo, che consente al sistema di riattivarsi in modalità EM0.

Conversione c.c./c.c.: la famiglia EFR32BG27 comprende convertitori su chip in modalità buck e boost in grado di fornire gli 1,8 V interni richiesti. I dispositivi in modalità boost, come EFR32BG27C230F768IM32-B, sono in grado di funzionare fino a 0,8 V, per l'uso con batterie alcaline a cella singola, all'ossido di argento e altre batterie a bassa tensione. Il convertitore boost può essere spento utilizzando un pin BOOST_EN dedicato, risparmiando così l'energia della batteria del sistema durante lo stoccaggio e la spedizione. In questa modalità, l'assorbimento massimo di corrente è di soli 20/50 nA, a seconda dell'alimentazione di alcuni pin. Nei dispositivi in modalità buck, come il modello EFR32BG27C140F768IM40-B, è possibile fornire esternamente un massimo di 3,8 V. Un monitor di alimentazione su chip segnala quando l'alimentazione è sufficientemente bassa per consentire di aggirare il regolatore ed estendere l'intervallo a 1,8 V. La modalità di bypass consente inoltre al sistema di passare alla modalità di risparmio energetico EM4. Nel convertitore c.c./c.c. è integrato un blocco contatore di Coulomb, comprendente due contatori a 32 bit utilizzati per misurare il numero di impulsi di carica erogati dal convertitore c.c./c.c. per il rilevamento accurato del livello della batteria e per migliorare la sicurezza dell'utente.

Rete Bluetooth 5.x:questa famiglia di SoC supporta il protocollo wireless Bluetooth Low Energy (LE). Il ricevitore radio utilizza un'architettura a bassa IF composta da un amplificatore a basso rumore e da una conversione a scalare I/Q. Il modulo di controllo automatico del guadagno (AGC) regola il guadagno del ricevitore per evitare la saturazione e migliorare la selettività e le prestazioni di blocco. La radio a 2,4 GHz viene calibrata in fase di produzione per migliorare le prestazioni di reiezione delle immagini. La famiglia comprende un intervallo di potenze di trasmissione da 4 dBm a 8 dBm. La mitigazione del rumore RF comprende il funzionamento del convertitore c.c./c.c. in modalità soft-switching all'avvio e le transizioni di regolazione c.c./c.c. verso il bypass per limitare la velocità di variazione massima dell'alimentazione e attenuare la corrente di inserzione. Il blocco RFSENSE consente al dispositivo di rimanere in modalità di risparmio energetico EM2, EM3 o EM4 e di riattivarsi quando viene rilevata un'energia RF superiore a una soglia specificata.

Sicurezza: la famiglia di SoC EFR32BG27 include una serie di funzioni di sicurezza, come illustra la Figura 2.

Figura 2: Caratteristiche di sicurezza della famiglia di SoC wireless Gecko EFR32BG27. (Immagine per gentile concessione di Silicon Labs)

L'avvio sicuro con il Root Of Trust and Secure Loader (RTSL) autentica un firmware affidabile che parte da una memoria di sola lettura (ROM) immutabile. L'acceleratore crittografico supporta la crittografia e la decrittografia AES ed ECC. Include anche contromisure di analisi della potenza differenziale (DPA) per proteggere le chiavi. Il TRNG raccoglie l'entropia da una sorgente termica e include i test di salute all'avvio per questa sorgente, come richiesto dagli standard NIST SP800-90B e AIS-31, nonché i test di salute online come richiesto da NIST SP800-90C. L'interfaccia di debug, bloccata quando il componente viene rilasciato sul campo, è dotata di una funzione di sblocco sicuro che consente l'accesso autenticato basato sulla crittografia a chiave pubblica. Dal punto di vista hardware, un modulo per il rilevamento di manomissioni esterne (ETAMPDET) consente di rilevare i tentativi di manomissione come l'apertura non autorizzata dell'involucro. Può generare un'interruzione per avvisare il software e consentire l'esecuzione di azioni a livello di sistema.

Ricco set di periferiche: i SoC includono convertitori analogico/digitali ibridi che combinano tecniche SAR e delta-sigma. La modalità a 12 bit può operare a velocità fino a 1 Msps, mentre il convertitore a 16 bit può operare fino a 76,9 ksps. Il modulo comparatore analogico può utilizzare riferimenti interni o esterni e può anche essere utilizzato per rilevare la tensione di alimentazione. Sono supportate le modalità di comunicazione seriale SPI, USART e I²C. Il modulo del clock in tempo reale e di acquisizione (RTCC) fornisce la temporizzazione a 32 bit fino alle modalità di alimentazione EM3 e può essere sincronizzato con l'oscillatore interno a bassa frequenza. Il timer a basso consumo energetico (LETIMER) offre una risoluzione di 24 bit e può essere utilizzato per la temporizzazione e la generazione di uscite quando la maggior parte del dispositivo è spenta, per eseguire operazioni semplici con un consumo energetico minimo. Il siistema di riflesso periferico (PRS) è una rete di instradamento dei segnali che consente la comunicazione diretta tra i moduli periferici senza coinvolgere la CPU. Ciò riduce il software del software e il consumo di corrente.

Contenitori a basso ingombro: uno dei dispositivi della famiglia EFR32BG27 è il modello EFR32BG27C320F768GJ39-B. Questo dispositivo si presenta in un contenitore CSP a livello di wafer (WLCSP) dalle dimensioni di soli 2,6 x 2,3 mm e può funzionare in modalità di regolatore buck o boost. Il resto della famiglia è disponibile in contenitori QFN32 di 4 x 4 mm o QFN40 di 5 x 5 mm con modalità di regolazione specifiche, buck o boost.

Conclusione

EFR32BG27 offre una capacità di elaborazione ad alta efficienza energetica e una connettività Bluetooth a basso consumo energetico. Questi SoC a fattore di forma compatto includono una serie di funzioni di sicurezza e sono ideali per le applicazioni IoMT.