コネクテッドヘルスデバイス向けワイヤレスSoC

医療業界ではここ数十年、デジタル技術の活用が進んでいます。COVID-19のパンデミックにより、この進化が加速しました。パンデミックによって必要となった医療への遠隔アクセスでは、より効率的な医療提供や継続的な患者モニタリングなど、他にもいくつかの利点が浮き彫りとなりました。技術の進歩は、医療分野のモノのインターネット（Internet of Medical Things：IoMT）を生み出しました。そこでは、ポータブル/ウェアラブルの医療機器やセンサを持つ患者と、それに対応する医療システムや医療提供者のネットワークが、インターネットを介して接続されています。持続血糖値モニタや心臓モニタは、広く受け入れられているデバイスの例です。IoMTデバイスはデータ転送を自動化し、人為的ミスを減らすのに役立ちます。予測データ分析と人工知能（AI）の進歩により、異常の早期発見、患者の自己関与の拡大、医療費の削減を伴うデータ駆動型の診断が可能になり、IoMTデバイスがさらに強力なものとなります。

IoMTデバイスの主な要件

• セキュリティ：転送される医療情報は機密性が高いため、高度なセキュリティが要求されます。次世代暗号標準（AES）と楕円曲線暗号（ECC）は、安全な鍵を使用してデータ転送を暗号化・復号化するため、データを認証することができます。デバイス内の真の乱数発生器（TRNG）に基づく鍵は、これらの鍵の安全な生成に役立ちます。なりすまし攻撃は、半導体デバイス内の固有の物理的複製防止機能（PUF）を用いたデバイス識別を使用することで最小限に抑えられます。セキュアなブートアップハードウェアプロトコルや、デバイスメモリの保護された領域へのアクセスを防止する改ざん防止機構は、デバイスのセキュリティ強化に役立ちます。
• 消費電力：ウェアラブルデバイスやポータブルデバイスは通常、バッテリ電源で動作します。Bluetooth LE 5.xのような低電力通信プロトコル、デバイスがアクティブでないときの省電力モード、動作性能と消費電力を最適化する効率的なアーキテクチャは、バッテリ寿命を最大化するために不可欠な機能です。
• 小型で豊富な機能セット：小型で軽量なデバイスにより、ウェアラブルおよびポータブル医療アプリケーションでの使用が可能になります。スマート歯科インプラントのような新しいアプリケーションには、小型フォームファクタが必要です。システムオンチップ（SoC）の概念は、1つのチップに多機能を高度に統合するものです。これには、高速アナログ/デジタルセンシング、測定、データ変換、通信を提供する周辺機器セットが含まれます。その他の必須要件としては、ワイヤレスコネクティビティ、大容量フラッシュメモリとRAMメモリによる高速データ処理、高精度低周波/低電力クロックおよびタイマ、DC/DC電圧安定化などがあります。

Silicon LabsのIoMTアプリケーション向けEFRBG27ワイヤレスGecko SoCファミリ

2023年3月、Silicon Labsは、ワイヤレスGeckoポートフォリオを拡大する、安全でエネルギーに優しいデバイスの新ファミリのリリースを発表しました。これには、IoMTアプリケーションに最適なBluetooth LE SoCデバイスのBG27シリーズが含まれます。

BG27 SoCに含まれる豊富な機能セットを示すブロック図を、図1に示します。主な機能の詳細は、以下の通りです。

図1：EFR32BG27ワイヤレスGecko SoCファミリの機能セット。（画像提供：Silicon Labs）

プロセッサとメモリ：DSP命令と浮動小数点ユニットを備えた76.8MHz、32ビットのARM Cortex® M33 RISCコアは、1.50 Dhrystone MIPS/MHzの高性能信号処理能力を実現します。また、ARM TrustZoneセキュリティテクノロジーも搭載しています。フラッシュメモリは768kBで、データメモリは64kBのRAMです。リンクされたダイレクトメモリアクセス（LDMA）コントローラにより、システムはソフトウェアから独立してメモリ操作を行えるため、エネルギー消費とソフトウェアの作業負荷が低減されます。

低電力モード：EFR32BG27は、SoCのエネルギーモード（EM0～EM4）の遷移を管理するエネルギー管理ユニット（EMU）を搭載しています。EMUにより、アプリケーションはプログラム実行中のエネルギー消費を動的に最小化できます。EM0モードは、CPU、無線、周辺機器を最高クロック周波数で有効にするなど、最も多くの機能を提供します。周辺機器は、低電力アクティブモードのEM2、EM3で無効にすることができます。電圧スケーリングは、エネルギーモード間の移行時にEMUによって使用され、可能な限り低電圧で動作することでエネルギー効率を最適化します。EM4は非アクティブな最低電力状態で、システムがEM0モードにウェイクアップできるようにします。

DC/DC変換：EFR32BG27ファミリは、必要な内部1.8Vを供給できる降圧モードと昇圧モードの両方のオンチップコンバータを搭載しています。EFR32BG27C230F768IM32-Bのような昇圧モードのデバイスは、最小0.8Vで動作する能力があり、単セルアルカリ電池、酸化銀電池、その他の低電圧電池による動作が可能です。ブーストコンバータは専用のBOOST_ENピンを使用してシャットダウンできるため、保管時や出荷時にシステムバッテリの電力を節約できます。このモードでは、特定のピンへの電源供給にもよりますが、最大消費電流はわずか20/50nAです。EFR32BG27C140F768IM40-Bのような降圧モードのデバイスでは、最大3.8Vを外部から供給できます。オンチップの電源モニタは、電源が十分に低下したときに信号を送り、レギュレータをバイパスして1.8Vまで範囲を広げることができます。バイパスモードでは、システムをEM4の省エネモードに移行させることも可能です。クーロンカウンタブロックはDC/DCコンバータに統合されています。これには、DC/DCコンバータから供給される充電パルスの数を測定するために使用される2つの32ビットカウンタが含まれ、ユーザーの安全性を高めるための正確なバッテリレベル追跡が可能になります。

Bluetooth 5.xネットワーキング：Bluetooth Low Energy（LE）ワイヤレスプロトコルは、このSoCファミリによってサポートされています。無線レシーバは、低ノイズアンプとI/Qダウンコンバージョンからなる低IFアーキテクチャを採用しています。自動ゲイン制御（AGC）モジュールは、レシーバのゲインを調整して飽和を回避し、選択性とブロッキング性能を向上させます。2.4GHz無線は、イメージ除去性能を向上させるために製造時に較正されます。このファミリには、4dBm～8dBmの送信電力範囲が含まれます。RFノイズの緩和には、ブート時のソフトスイッチングモードでのDC/DCコンバータの動作および、最大電源スルーレートを制限して突入電流を緩和するためのDC/DC安定化からバイパスへの移行が含まれます。RFSENSEブロックにより、デバイスはEM2、EM3、またはEM4の省エネモードに留まり、指定された閾値を超えるRFエネルギーが検出されるとウェイクアップします。

セキュリティ：SoCのEFR32BG27ファミリには、図2に示すように、さまざまなセキュリティ機能が搭載されています。

図2：EFR32BG27ワイヤレスGecko SoCファミリのセキュリティ機能。（画像提供：Silicon Labs）

信頼の起点（Root of Trust）とセキュアローダ（RTSL）によるセキュアブートは、変更不可能な読み取り専用メモリ（ROM）から始まる信頼されたファームウェアを認証します。暗号アクセラレータはAESとECCの暗号化と復号化をサポートします。また、鍵を保護するための差分電力解析（DPA）対策も含まれています。TRNGは熱源からエントロピを採取し、NIST SP800-90BおよびAIS-31規格で要求されるこの熱源のスタートアップ健全性テストと、NIST SP800-90Cで要求されるオンライン健全性テストを備えています。デバッグインターフェースは、部品が現場にリリースされるとロックされますが、公開鍵暗号に基づく認証アクセスを可能にする安全なロック解除機能を備えています。ハードウェア面では、外部タンパ検知（ETAMPDET）モジュールにより、エンクロージャの不正開放などの外部タンパを検知することができます。このモジュールは、割り込みを発生させてソフトウェアに警告を発し、システムレベルのアクションを取らせることができます。

豊富な周辺機器セット：SoCには、SARとデルタシグマの両技術を組み合わせたハイブリッドA/Dコンバータが搭載されています。12ビットモードは最大1Mspsの速度で動作し、16ビットコンバータは最大76.9kspsで動作することが可能です。アナログコンパレータモジュールは、内部または外部リファレンスを使用でき、電源電圧を検知するために使用することも可能です。SPI、USART、I2Cのシリアル通信モードがすべてサポートされています。リアルタイムクロック＆カレンダ（RTCC）モジュールは、EM3の電力モードまで32ビットの時間管理を提供し、内蔵の低周波数発振器でクロックを刻むことができます。低エネルギータイマ（LETIMER）は24ビットの分解能を提供し、デバイスの大部分がパワーダウンしているときにタイミングと出力生成に使用できるため、最小限の消費電力で単純なタスクを実行できます。ペリフェラルリフレックスシステム（PRS）は、CPUを介さずに周辺モジュール間の直接通信を可能にする信号ルーティングネットワークです。これにより、ソフトウェアのオーバーヘッドと電流消費が削減されます。

低フットプリントのパッケージ：EFR32BG27ファミリのデバイスの1つに、EFR32BG27C320F768GJ39-Bがあります。このデバイスは、わずか2.6mm × 2.3mmのウェハーレベルチップスケールパッケージ（WLCSP）で提供され、降圧または昇圧レギュレータモードで動作させることができます。残りのファミリは、QFN32 4mm × 4mmまたはQFN40 5mm × 5mmパッケージ、降圧または昇圧の特定のレギュレータモードで提供されます。

まとめ

EFR32BG27は、業界をリードするエネルギー効率の高い処理能力と、低エネルギーBluetoothコネクティビティを提供します。さまざまなセキュリティ機能を備えたこのスモールフォームファクタSoCは、IoMTアプリケーションに最適です。