연결된 의료 장치를 위한 무선 SoC

의료 산업은 지난 수십 년 동안 디지털 기술의 사용을 확대해 왔습니다. 이러한 진화는 코로나19 팬데믹으로 인해 더욱 가속화되었습니다. 팬데믹으로 인해 필요한 의료 서비스에 대한 원격 액세스는 더욱 효율적인 의료 서비스 제공 및 지속적인 환자 모니터링과 같은 여러 가지 다른 이점을 부각시켰습니다. 기술의 발전으로 인해 휴대용 및/또는 웨어러블 의료 기기 및 센서를 사용하는 환자 네트워크와 상응하는 의료 시스템 및 제공업체가 인터넷을 통해 연결되는 IoMT(Internet of Medical Things)가 탄생했습니다. 널리 사용되는 장치의 예로는 지속적인 혈당 수치 및 심장 모니터가 있습니다. IoMT 장치는 데이터 전송을 자동화하여 인적 오류를 줄이는 데 도움을 줍니다. 예측 데이터 분석 및 인공 지능(AI)의 발전으로 IoMT 기기는 이상 증상을 조기에 감지하고 환자의 자기 참여를 확대하며 의료 비용을 절감하여 데이터 기반 진단을 지원함으로써 훨씬 더 강력해졌습니다.

IoMT 장치의 주요 요구 사항

• 보안: 전송되는 의료 정보의 민감한 특성으로 인해 높은 수준의 보안이 필요합니다. 고급 암호화 표준(AES) 및 타원 곡선 암호화(ECC)는 보안 키를 사용하여 데이터 전송을 암호화 및 해독할 수 있으므로 데이터를 인증할 수 있습니다. 장치의 순수 난수 생성기(TRNG)를 기반으로 하는 키는 이러한 키를 안전하게 생성하는 데 도움이 됩니다. 반도체 장치 내에서 고유한 PUF(Physical Unclonable Function)를 사용하는 장치 식별을 통해 스푸핑 공격을 최소화할 수 있습니다. 보안 부팅 하드웨어 프로토콜과 장치 메모리의 보호된 영역으로의 접근을 방지하는 조작 방지 메커니즘은 장치 보안을 강화하는 데 도움이 됩니다.
• 전력 소비: 웨어러블 및 휴대용 장치는 일반적으로 배터리 전력으로 작동합니다. Bluetooth LE 5.x와 같은 저전력 통신 프로토콜과 장치가 작동하지 않을 때의 절전 모드, 전력 소비에 비해 작동 성능을 최적화하는 효율적인 아키텍처는 배터리 수명을 극대화할 수 있는 몇 가지 필수 기능입니다.
• 작은 크기에 탑재된 풍부한 기능 세트: 장치가 작고 가벼워 웨어러블 및 휴대용 의료 응용 분야에서 사용할 수 있습니다. 스마트 치아 이식형 기기와 같은 새로운 응용 분야에는 소형 폼 팩터가 필요합니다. 단일 칩 시스템(SoC) 개념은 단일 칩에 높은 수준의 다기능 통합을 제공합니다. 여기에는 고속 아날로그 및 디지털 감지, 측정, 데이터 변환, 통신을 제공하는 주변 소자 기능 세트가 포함될 수 있습니다. 기타 필수 요구 사항으로는 무선 연결, 대용량 플래시, RAM 메모리를 사용한 고속 데이터 처리, 정밀 저주파수/저전력 클록, 타이머, DC DC 전압 조정 등이 포함됩니다.

IoMT 응용 분야용 Silicon Labs EFRBG27 Wireless Gecko SoC 제품군

2023년 3월에 Silicon Labs는 Wireless Gecko 포트폴리오를 확장하는 안전하고 에너지 친화적인 장치의 새로운 제품군 출시를 발표했습니다. 여기에는 IoMT 응용 분야에 이상적인 BG27 계열 Bluetooth LE SoC 장치가 포함됩니다.

그림 1은 BG27 SoC에 포함된 다양한 기능 세트를 보여주는 제품 구성도입니다. 주요 기능에 대한 몇 가지 세부 정보는 다음과 같습니다.

그림 1: EFR32BG27 Wireless Gecko SoC 제품군 기능 세트입니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

프로세서 및 메모리: DSP 명령 및 부동 소수점 처리 장치를 갖춘 76.8MHz, 32비트 ARM Cortex® M33 RISC 코어는 1.50 Dhrystone MIPS/MHz에서 고성능 신호 처리 기능을 사용할 수 있습니다. 여기에는 ARM TrustZone 보안 기술이 포함되어 있습니다. 플래시 메모리는 768kB이며 데이터 메모리는 64kB RAM입니다. 시스템은 LDMA(Linked Direct Memory Access) 컨트롤러를 통해 소프트웨어와 독립적으로 메모리 작업을 수행할 수 있으므로 에너지 소비량과 소프트웨어 작업 부하가 줄어듭니다.

저전력 모드: FR32BG27에는 SoC의 에너지 모드(EM0 ~ EM4) 전환을 관리하는 에너지 관리 장치(EMU)가 포함되어 있습니다. 응용 분야에서 EMU를 사용하면 프로그램을 실행하는 동안 에너지 소비량을 동적으로 최소화할 수 있습니다. EM0 모드는 가장 높은 클록 주파수에서 CPU, 무선 통신 및 주변 장치를 활성화하는 등 가장 많은 기능을 제공합니다. 주변 장치는 저전력 활성 모드인 EM2, EM3에서 비활성화할 수 있습니다. 전압 조정 기능은 가능한 경우 낮은 전압에서 작동하여 에너지 효율을 최적화하기 위해 에너지 모드 간에 전환할 때 EMU에서 사용합니다. EM4는 시스템이 EM0 모드로 절전을 해제할 수 있도록 하는 비활성 최저 전력 상태입니다.

DC/DC 변환: EFR32BG27 제품군에는 필요한 내부 1.8V를 공급할 수 있는 벅 및 부스트 모드 온칩 컨버터 모두가 포함되어 있습니다. EFR32BG27C230F768IM32-B와 같은 부스트 모드 장치에는 최저 0.8V에서 작동하는 기능이 있으므로 단일 전지 알카라인, 산화은, 기타 저전압 배터리로 작동할 수 있습니다. 부스트 컨버터는 전용 BOOST_EN 핀을 사용하여 종료할 수 있으므로 보관 및 배송 중 시스템 배터리 전력을 절약할 수 있습니다. 이 모드에서 최대 전류 소모량은 특정 핀의 전력 공급에 따라 20/50nA에 불과합니다. EFR32BG27C140F768IM40-B와 같은 벅 모드 장치에서 최대 3.8V를 외부로부터 공급받을 수 있습니다. 온칩 공급 모니터는 조정기가 우회하여 범위를 1.8V로 확장할 수 있을 만큼 공급이 충분히 낮을 때 신호를 보냅니다. 또한 우회 모드를 사용하면 시스템이 EM4 에너지 절약 모드로 전환될 수 있습니다. 쿨롬 카운터 블록은 DC DC 컨버터에 통합됩니다. 여기에는 DC DC 컨버터가 전달하는 충전 펄스 수를 측정하는 데 사용되는 2개의 32비트 카운터가 포함되며 배터리 레벨을 정확히 추적하여 사용자 안전을 향상합니다.

Bluetooth 5.x 네트워킹: 이 SoC 제품군은 Bluetooth Low Energy(LE) 무선 프로토콜을 지원합니다. 무선 통신 수신기는 저잡음 증폭기와 I/Q 하향 변환으로 구성된 낮은 IF 아키텍처를 사용합니다. 자동 이득 제어(AGC) 모듈은 선택과 차단 성능을 향상하기 위해 수신기 이득을 조정하여 포화를 방지합니다. 2.4GHz 무선 통신은 영상 제거 성능을 개선하기 위해 생산 과정에서 보정됩니다. 이 제품군에는 4dBm ~ 8dBm의 송신 전력 범위가 포함됩니다. RF 잡음 완화에는 부팅 시 소프트 스위칭 모드에서 DC DC 컨버터의 작동과 최대 공급 슬루율을 제한하고 유입 전류를 완화하기 위한 DC DC 조절 우회 간 전환 등이 포함됩니다. 이 장치는 RFSENSE 블록을 통해 EM2, EM3 또는 EM4 에너지 절약 모드로 유지하고 특정 임계값을 초과하는 RF 에너지가 감지되면 절전을 해제할 수 있습니다.

보안: EFR32BG27 SoC 제품군에는 그림 2와 같이 다양한 보안 기능이 포함되어 있습니다.

그림 2: EFR32BG27 Wireless Gecko SoC 제품군 보안 기능입니다. (이미지 출처: Silicon Labs)

신뢰 루트 및 보안 로더(RTSL)를 사용한 보안 부팅은 불변형 읽기 전용 메모리(ROM)로 시작하는 신뢰할 수 있는 펌웨어를 인증합니다. 암호화 가속기는 AES 및 ECC 암호화 및 해독을 지원하며 키를 보호하기 위한 차동 전력 분석(DPA) 방지 대책도 포함하고 있습니다. TRNG는 열원에서 엔트로피를 수집하며 NIST SP800-90B 및 AIS-31 표준이 요구하는 대로 이 열원에 대한 시동 상태 테스트와 NIST SP800-90C에 필요한 온라인 상태 테스트, NIST SP800-90C에 필요한 온라인 상태 테스트를 포함합니다. 현장에 부품이 출고될 때 잠겨 있는 디버그 인터페이스에는 공용 키 암호화를 기반으로 인증된 액세스를 허용하는 보안 잠금 해제 기능이 있습니다. 하드웨어 측면에서는 ETAMPDET(External Tamper Detect) 모듈을 사용하여 승인되지 않은 인클로저 개방과 같은 외부 부정 조작을 감지할 수 있습니다. 인터럽트를 생성하여 소프트웨어에 경고하고 시스템 수준 작업을 수행할 수 있습니다.

다양한 주변 장치 세트: SoC에는 SAR 및 델타 시그마 기술을 결합한 하이브리드 아날로그 디지털 컨버터가 포함되어 있습니다. 12비트 모드는 최대 1MSPS 속도로 작동할 수 있는 반면 16비트 컨버터는 최대 76.9kSPS 속도로 작동할 수 있습니다. 아날로그 비교기 모듈은 내부 또는 외부 레퍼런스를 사용할 수 있으며 공급 전압을 감지하는 데 사용될 수도 있습니다. SPI, USART 및 I2C 직렬 통신 모드가 모두 지원됩니다. RTCC(Real Time Clock and Capture) 모듈은 EM3 전력 모드까지 32비트 시간 측정을 제공하며 내부 저주파 발진기를 사용하여 클록할 수 있습니다. 저에너지 타이머(LETIMER)는 24비트 해상도를 제공하며 대부분의 장치가 절전이 되면 타이밍 및 출력 생성에 사용할 수 있으므로 최소한의 전력 소비로 간단한 작업을 수행할 수 있습니다. PRS(Peripheral Reflex System)는 CPU를 사용하지 않고도 주변 장치 모듈 간에 직접 통신할 수 있는 신호 라우팅 네트워크입니다. 이는 소프트웨어 오버헤드와 전류 소비를 감소합니다.

저 실장 면적 패키지: EFR32BG27 제품군의 장치 중 EFR32BG27C320F768GJ39-B가 있습니다. 이 장치는 크기가 2.6mm x 2.3mm에 불과한 웨이퍼 레벨 칩 스케일 패키지(WLCSP)로 제공되며 벅 또는 부스트 조정기 모드로 실행할 수 있습니다. 나머지 제품군은 벅 또는 부스트의 특정 조정기 모드에서 QFN32 4mm x 4mm 또는 QFN40 5mm x 5mm 패키지로 제공됩니다.

결론

EFR32BG27은 업계 최고의 에너지 효율적인 처리 기능과 저에너지 Bluetooth 연결을 제공합니다. 다양한 보안 기능이 포함되어 있는 이 소형 폼 팩터 SoC는 IoMT 응용 분야에 이상적입니다.