SoC ไร้สายสำหรับอุปกรณ์สุขภาพที่มีการเชื่อมต่อ

อุตสาหกรรมการดูแลสุขภาพได้นำเทคโนโลยีดิจิทัลมาใช้มากขึ้นในช่วงสองสามทศวรรษที่ผ่านมา การระบาดของโควิด-19 ช่วยเร่งให้เกิดวิวัฒนาการนี้ ซึ่งการเข้าถึงการรักษาพยาบาลจากระยะไกลซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นจากการระบาดใหญ่ แสดงให้ถึงประโยชน์อื่นๆ หลายประการ เช่น การส่งมอบการรักษาพยาบาลที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น และการติดตามผู้ป่วยอย่างต่อเนื่อง โดยความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีได้ก่อให้เกิด Internet of Medical Things (IoMT) ซึ่งเครือข่ายของผู้ป่วยที่มีอุปกรณ์ทางการแพทย์และเซ็นเซอร์แบบพกพาและ/หรือสวมใส่ได้ รวมถึงระบบการดูแลสุขภาพและผู้ให้บริการที่เกี่ยวข้อง เชื่อมต่อกันผ่านทางอินเทอร์เน็ต เครื่องวัดระดับน้ำตาลในเลือดและตรวจวัดหัวใจอย่างต่อเนื่องเป็นตัวอย่างของอุปกรณ์ที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวาง โดยอุปกรณ์ IoMT ช่วยให้การถ่ายโอนข้อมูลเป็นแบบอัตโนมัติ ซึ่งช่วยลดข้อผิดพลาดของมนุษย์ ทั้งนี้ความก้าวหน้าในการวิเคราะห์ข้อมูลเชิงคาดการณ์และปัญญาประดิษฐ์ (AI) ทำให้อุปกรณ์ IoMT มีประสิทธิภาพมากยิ่งขึ้นโดยใช้งานการวินิจฉัยจากข้อมูลพร้อมการตรวจจับความผิดปกติตั้งแต่เนิ่นๆ การมีส่วนร่วมของผู้ป่วยมากขึ้น และลดค่าใช้จ่ายด้านการรักษาพยาบาล

ข้อกำหนดหลักสำหรับอุปกรณ์ IoMT

• ความปลอดภัย: ความละเอียดอ่อนของข้อมูลทางการแพทย์ที่ทำการถ่ายโอนจำเป็นต้องมีการรักษาความปลอดภัยในระดับสูง โดยที่ Advanced Encryption Standard (AES) และ Elliptical Curve Cryptography (ECC) สามารถเข้ารหัสและถอดรหัสการถ่ายโอนข้อมูลโดยใช้คีย์ที่ปลอดภัย และด้วยเหตุนี้จึงตรวจสอบข้อมูลได้ ซึ่งคีย์ที่ใช้ตัวสร้างตัวเลขสุ่มสมบูรณ์ (TRNG) ในอุปกรณ์ช่วยในการสร้างคีย์เหล่านี้อย่างปลอดภัย โดยสามารถลดการโจมตีด้วยการปลอมแปลงลงได้ด้วยการระบุอุปกรณ์โดยใช้ฟังก์ชันเฉพาะทางกายภาพที่ไม่สามารถโคลนได้ (PUF) ภายในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ โปรโตคอลฮาร์ดแวร์การบูตที่ปลอดภัย รวมถึงกลไกป้องกันการงัดแงะที่ป้องกันการเข้าถึงพื้นที่ที่ได้รับการป้องกันของหน่วยความจำอุปกรณ์ช่วยเพิ่มความปลอดภัยของอุปกรณ์
• การใช้พลังงาน: อุปกรณ์สวมใส่และอุปกรณ์พกพามักใช้พลังงานแบตเตอรี่ โปรโตคอลการสื่อสารที่ใช้พลังงานต่ำ เช่น Bluetooth LE 5.x โหมดประหยัดพลังงานเมื่ออุปกรณ์ไม่ได้ใช้งาน และสถาปัตยกรรมที่มีประสิทธิภาพที่ปรับประสิทธิภาพการทำงานให้เหมาะสมเมื่อเทียบกับการใช้พลังงาน ถือเป็นคุณสมบัติที่สำคัญบางประการที่สามารถยืดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ได้
• คุณลักษณะที่หลากหลายที่มากับการที่มีขนาดเล็ก: อุปกรณ์ขนาดเล็กและเบาช่วยให้นำไปใช้งานทางการแพทย์แบบสวมใส่และพกพาได้ การใช้งานใหม่ๆ เช่น การปลูกถ่ายฟันอัจฉริยะต้องใช้ฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดเล็ก แนวคิด System on Chip (SoC) ให้การรวมหลายฟังก์ชันระดับสูงไว้บนชิปตัวเดียว ซึ่งอาจรวมถึงชุดคุณลักษณะต่อพ่วงที่ให้การตรวจจับแบบแอนะล็อกและดิจิทัลความเร็วสูง การวัด การแปลงข้อมูล และการสื่อสาร ซึ่งข้อกำหนดที่จำเป็นอื่นๆ ได้แก่ การเชื่อมต่อไร้สาย, การประมวลผลข้อมูลความเร็วสูงพร้อมแฟลชขนาดใหญ่และหน่วยความจำ RAM, นาฬิกาและตัวจับเวลาความถี่ต่ำ/พลังงานต่ำที่แม่นยำ, การควบคุมแรงดันไฟฟ้า DC/DC เป็นต้น

Gecko SoC แบบไร้สายตระกูล EFRBG27 ของ Silicon Labs สำหรับการใช้งาน IoMT

ในเดือนมีนาคม 2023 Silicon Labs ได้ประกาศเปิดตัวอุปกรณ์ตระกูลใหม่ที่ปลอดภัยและประหยัดพลังงาน ซึ่งขยายกลุ่มผลิตภัณฑ์ Wireless Gecko ซึ่งรวมถึงอุปกรณ์ Bluetooth LE SoC ซีรีส์ BG27 ที่เหมาะสำหรับการใช้งาน IoMT

แผนภาพที่แสดงชุดคุณลักษณะที่หลากหลายซึ่งรวมอยู่ใน SoC BG27 จะแสดงอยู่ในรูปที่ 1 มีการระบุรายละเอียดบางประการเกี่ยวกับคุณสมบัติหลักไว้ด้านล่าง:

รูปที่ 1: ชุดคุณสมบัติของ Gecko SoC แบบไร้สายตระกูล EFR32BG27 (แหล่งที่มาภาพ: Silicon Labs)

โปรเซสเซอร์และหน่วยความจำ: แกน RISC ARM Cortex® M33 RISC ความเร็ว 76.8 MHz, 32 บิต พร้อมคำสั่ง DSP และยูนิตตัวเลขทศนิยม ช่วยให้สามารถประมวลผลสัญญาณประสิทธิภาพสูงที่ 1.50 Dhrystone MIPS/MHz รวมถึงเทคโนโลยีความปลอดภัย ARM TrustZone หน่วยความจำแฟลชคือ 768 kB ในขณะที่หน่วยความจำข้อมูลคือ RAM 64 kB Linked Direct Memory Access Controller (LDMA) ช่วยให้ระบบดำเนินการหน่วยความจำโดยไม่ขึ้นกับซอฟต์แวร์ จึงช่วยลดการใช้พลังงานและการประมวลผลของซอฟต์แวร์

โหมดพลังงานต่ำ: EFR32BG27 มีหน่วยจัดการพลังงาน (EMU) ที่จัดการการเปลี่ยนโหมดพลังงาน (EM0 เป็น EM4) ของ SoC ด้วย EMU สามารถลดการใช้พลังงานระหว่างการทำงานของโปรแกรมได้แบบไดนามิก โดยโหมด EM0 มอบคุณสมบัติจำนวนสูงสุด เช่น การเปิดใช้งาน CPU วิทยุ และอุปกรณ์ต่อพ่วงที่ความถี่สัญญาณนาฬิกาสูงสุด อุปกรณ์ต่อพ่วงสามารถปิดการใช้งานได้ในโหมดแอคทีฟพลังงานต่ำ EM2, EM3 EMU จะใช้การปรับขนาดแรงดันไฟฟ้าเมื่อเปลี่ยนระหว่างโหมดพลังงานเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยการทำงานที่แรงดันไฟฟ้าต่ำลงเมื่อเป็นไปได้ EM4 เป็นสถานะที่ไม่ได้ใช้งานและใช้พลังงานน้อยที่สุดซึ่งช่วยให้ระบบสามารถเปิดเข้าสู่โหมด EM0 ได้

การแปลง DC/DC: ตระกูล EFR32BG27 มีทั้งตัวแปลงบนชิปโหมดบั๊กและบูสต์ที่สามารถจ่ายไฟภายใน 1.8 V ที่จำเป็นได้ อุปกรณ์โหมดบูสต์เช่น EFR32BG27C230F768IM32-B มีความสามารถในการทำงานต่ำถึง 0.8V ทำให้สามารถใช้งานแบตเตอรี่อัลคาไลน์เซลล์เดียว ซิลเวอร์ออกไซด์ และแบตเตอรี่แรงดันต่ำอื่นๆ ได้ สามารถปิดบูสต์คอนเวอร์เตอร์ได้โดยใช้พิน BOOST_EN เฉพาะ จึงประหยัดพลังงานแบตเตอรี่ของระบบระหว่างการจัดเก็บและการขนส่ง ในโหมดนี้ การดึงกระแสสูงสุดคือเพียง 20/50nA ขึ้นอยู่กับการจ่ายไฟของพินบางตัว ในอุปกรณ์โหมดบั๊กเช่น EFR32BG27C140F768IM40-B สามารถจ่ายไฟสูงสุด 3.8 V จากภายนอกได้ การตรวจสอบแหล่งจ่ายไฟบนชิปจะส่งสัญญาณเมื่อแหล่งจ่ายไฟต่ำเพียงพอที่จะทำให้ตัวควบคุมสามารถบายพาสได้ และขยายช่วงเป็น 1.8 V โหมดบายพาสยังช่วยให้ระบบเข้าสู่โหมดประหยัดพลังงาน EM4 ได้ โดยบล็อกตัวนับคูลอมบ์ถูกรวมเข้ากับตัวแปลง DC/DC ซึ่งรวมถึงตัวนับ 32 บิตสองตัวที่ใช้ในการวัดจำนวนพัลส์การชาร์จที่ส่งโดยตัวแปลง DC/DC ทำให้สามารถติดตามระดับแบตเตอรี่ได้อย่างแม่นยำเพื่อเพิ่มความปลอดภัยให้กับผู้ใช้

เครือข่ายบลูทูธ 5.x: ตระกูล SoC นี้รองรับโปรโตคอลไร้สาย Bluetooth Low Energy (LE) โดยเครื่องรับวิทยุใช้สถาปัตยกรรม Low-IF ซึ่งประกอบด้วยเครื่องขยายสัญญาณรบกวนต่ำและการแปลง I/Q ลง โมดูลควบคุมอัตราขยายอัตโนมัติ (AGC) จะปรับอัตราขยายของตัวรับเพื่อหลีกเลี่ยงความอิ่มตัวเพื่อประสิทธิภาพการเลือกและการบล็อกที่ดีขึ้น มีการปรับเทียบวิทยุ 2.4 GHz ในการผลิตเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพอิมเมจรีเจคชัน ซึ่งตระกูลนี้มีช่วงกำลังส่งตั้งแต่ 4 dBm ถึง 8 dBm โดยการลดสัญญาณรบกวน RF รวมถึงการทำงานของตัวแปลง DC/DC ในโหมดซอฟต์สวิตชิ่งเมื่อบูต และการเปลี่ยนผ่านที่ควบคุม DC/DC ไปสู่บายพาสเพื่อจำกัดอัตราการจ่ายสลูว์สูงสุดและลดกระแสไหลเข้า บล็อก RFSENSE ช่วยให้อุปกรณ์อยู่ในโหมดประหยัดพลังงาน EM2, EM3 หรือ EM4 และจะทำงานเมื่อตรวจพบพลังงาน RF สูงกว่าเกณฑ์ที่ระบุ

ความปลอดภัย: SoC ตระกูล EFR32BG27 มีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยมากมาย ดังแสดงในรูปที่ 2

รูปที่ 2: คุณลักษณะด้านความปลอดภัยของ Gecko SoC แบบไร้สายตระกูล EFR32BG27 (ที่มาของภาพ: Silicon Labs)

Secure Boot พร้อม Root Of Trust และ Secure Loader (RTSL) จะตรวจสอบเฟิร์มแวร์ที่เชื่อถือได้ซึ่งเริ่มต้นจากหน่วยความจำแบบอ่านอย่างเดียว (ROM) ที่ไม่เปลี่ยนรูป ซึ่งตัวเร่งการเข้ารหัสรองรับการเข้ารหัสและถอดรหัส AES และ ECC นอกจากนี้ยังมีมาตรการรับมือ Differential Power Analysis (DPA) เพื่อปกป้องคีย์อีกด้วย โดย TRNG เก็บเกี่ยวเอนโทรปีจากแหล่งความร้อน และรวมถึงการทดสอบสภาพการเริ่มต้นสำหรับแหล่งนี้ ตามมาตรฐาน NIST SP800-90B และ AIS-31 รวมถึงการทดสอบสุขภาพออนไลน์ตามที่กำหนดสำหรับ NIST SP800-90C อินเทอร์เฟซการตรวจแก้จุดบกพร่องจะถูกล็อคเมื่อชิ้นส่วนถูกปล่อยออกมาในภาคสนาม มีฟังก์ชันปลดล็อคที่ปลอดภัยที่อนุญาตการเข้าถึงที่มีการรับรองความถูกต้องตามการเข้ารหัสคีย์สาธารณะ ในด้านฮาร์ดแวร์ โมดูล External Tamper Detect (ETAMPDET) ช่วยให้สามารถตรวจจับการงัดแงะภายนอก เช่น การเปิดกล่องโดยไม่ได้รับอนุญาต สามารถสร้างอินเตอร์รัพท์เพื่อเตือนซอฟต์แวร์และอนุญาตให้ดำเนินการระดับระบบได้

ชุดอุปกรณ์ต่อพ่วงมากมาย: SoC ประกอบด้วยตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลแบบไฮบริดที่ผสมผสานทั้งเทคนิค SAR และ Delta-Sigma โหมด 12 บิตสามารถทำงานได้ที่ความเร็วสูงถึง 1 Msps ในขณะที่ตัวแปลง 16 บิตสามารถทำงานได้ที่ความเร็วสูงสุด 76.9 kps โดยโมดูลเปรียบเทียบแบบแอนะล็อกสามารถใช้การอ้างอิงภายในหรือภายนอก และยังสามารถใช้เพื่อตรวจจับแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายอีกด้วย ซึ่งรองรับโหมดการสื่อสารแบบอนุกรม SPI, USART และ I2C ทั้งหมด โมดูลนาฬิกาเรียลไทม์และการจับภาพ (RTCC) ให้การจับเวลาแบบ 32 บิตจนถึงโหมดพลังงาน EM3 และสามารถโอเวอร์คล็อกได้ด้วยออสซิลเลเตอร์ความถี่ต่ำภายใน มีตัวจับเวลาพลังงานต่ำ (LETIMER) ให้ความละเอียด 24 บิตและสามารถใช้สำหรับกำหนดเวลาและการสร้างเอาต์พุตเมื่ออุปกรณ์ส่วนใหญ่ปิดเครื่อง ช่วยให้ทำงานง่ายๆ โดยใช้พลังงานน้อยที่สุด Peripheral Reflex System (PRS) คือเครือข่ายการกำหนดเส้นทางสัญญาณที่ช่วยให้สามารถสื่อสารโดยตรงระหว่างโมดูลอุปกรณ์ต่อพ่วงโดยไม่ต้องเกี่ยวข้องกับ CPU ซึ่งจะช่วยลดซอฟต์แวร์โอเวอร์เฮดและปริมาณการใช้กระแสไฟฟ้า

แพ็คเกจขนาดเล็ก: หนึ่งในอุปกรณ์ในตระกูล EFR32BG27 คือ EFR32BG27C320F768GJ39-B อุปกรณ์นี้มาในแพ็คเกจขนาดชิประดับเวเฟอร์ (WLCSP) ที่มีขนาดเพียง 2.6 มม. x 2.3 มม. และสามารถทำงานได้ในโหมดควบคุมบั๊กหรือบูสต์ ส่วนที่เหลือในตระกูลมาในแพ็คเกจ QFN32 4 มม. x 4 มม. หรือ QFN40 5 มม. x 5 มม. ในโหมดควบคุมเฉพาะแบบบั๊กหรือบูสต์

สรุป

EFR32BG27 มอบความสามารถในการประมวลผลที่ประหยัดพลังงานชั้นนำของอุตสาหกรรมและการเชื่อมต่อ Bluetooth ที่ใช้พลังงานต่ำ โดย SoC ฟอร์มแฟคเตอร์ขนาดเล็กเหล่านี้มีคุณสมบัติด้านความปลอดภัยที่หลากหลาย เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานด้าน IoMT