Fujitsu Technology AMDs Embedded G-Series bei Embedded-Mainboards im Vorteil

System-on-Chips, die CPU, GPU und I/O-Controller auf einem x86-Baustein vereinen, bieten gerade im industriellen und semiindustriellen Embedded-Bereich vielfältige Designvorteile. Welche Möglichkeiten die neue Chip-Plattform Embedded G-Series von AMD bietet, soll ein Beispiel von Fujitsu zeigen.

Was haben industrielle Embedded-Anwendungen im Bereich Automatisierung beziehungsweise Human-Machine-Interface (HMI) mit semiindustriellen Applikationen wie Kiosklösungen und Digital-Signage gemeinsam? Der Platz ist begrenzt. Daher sind kompakte Formfaktoren für Industrie-Mainboards ein Muss. Das neue »D3313-S« von Fujitsu ist deshalb als Mini-ITX-Board mit Abmessungen von 170 mm x 170 mm ausgelegt (siehe großes Bild). Es basiert auf AMDs neuer SoC-Plattform »Embedded G-Series«.

Der neue Prozessor vereint CPU, Chipsatz und Grafik auf einer Fläche von nur 24,5 mm x 24,5 mm, was ihn für solche kompakten Mainboard-Designs allein schon aus mechanischen Gründen interessant macht. Mit dieser Miniaturisierung geht AMD, nach APU (Accelerated Processing Unit) und Controller-Hub, einen konsequenten nächsten Schritt in der Integration aller x86-Funktionen auf einem Chip. Die unmittelbaren Vorläufer, die »Embedded G-Series«-APUs, kommen bereits seit 2011 auf Industriemainboards von Fujitsu zum Einsatz.

Dadurch qualifizierten sich auch die neuen SoCs des Chipherstellers früh für einen intensiven Test in der Mainboard-Entwicklung im Augsburger Werk von Fujitsu. Dank der dortigen Verzahnung von Entwicklung und Produktion befinden sich die Industriemainboards der D3313-S-Familie seit Mitte Dezember 2013 in der Serienfertigung (Bild 1).

Vereinfachtes Board-Layout

Vergleicht man die hochintegrierten SoCs in 28-nm-Technologie in mechanischer Hinsicht mit deren Vorgängern, den APUs, so weisen sie einen um 33% kleineren Footprint auf, was dem Designer buchstäblich mehr Spielraum bei der Konzeption seiner Mainboard-Layouts gibt. Außerdem muss der Entwickler auf dem Board statt zwei Chips nur noch einen integrieren. Das macht nicht nur die Entwicklung einfacher und schneller, sondern reduziert auch die Zahl der Komponenten, die dafür vorgehalten werden müssen. Die Folge sind niedrigere Kosten für Beschaffung und Lagerhaltung, somit also auch wirtschaftliche Vorteile.

Der in den AMD-Bausteinen integrierte I/O-Controller unterstützt alle Standardschnittstellen wie beispielsweise PCIe, SATA oder USB 2.0/3.0. Die Kugelgitteranordnung der Lötstellen folgt bei allen SOCs einem einheitlichen Layout. Dadurch kann der Entwickler für alle Boards einer Familie – vom Basismodell bis zur High-End-Variante – ein einheitliches Design verwenden, auch im Hinblick auf die Steckverbindungen. Der Designphilosophie von Fujitsu kommt das entgegen, denn ein zentrales Ziel ist die Kompatibilität innerhalb einer Boardgeneration, aber idealerweise auch zwischen den Generationen. Der Grund dafür leitet sich aus den Bedürfnissen der Anwender im Embedded-Bereich ab: Die Mainboards aus der »Industrial Series« des Unternehmens mit ihrer Langzeitverfügbarkeit von mindestens fünf Jahren kommen in Investitionsgütern zum Einsatz, deren Design aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der Zertifizierung während der Produktlebenszeit nicht grundlegend geändert werden kann. Ein einheitliches Board-Layout bietet aber die Möglichkeit, innerhalb des Lebenszyklus‘ einer Maschine auf eine leistungsfähigere Plattform zu wechseln.

Das neue Mainboard ist beispielsweise in drei Ausführungen mit jeweils unterschiedlichen SOCs von AMD erhältlich. Alle drei Modelle der Serie D3313-S sind funktionell und mechanisch völlig identisch und unterscheiden sich lediglich durch die darauf eingesetzten APUs. Das »D3313-S1« basiert auf dem »GX-210HA« mit »Radeon HD8210E«-Grafik (Dualcore, 1,0 GHz), das »D3313-S2« auf dem »GX-217GA« mit »Radeon HD8280E«-Grafik (Dualcore, 1,65 GHz) und das »D3313-S3« auf dem »GX-420CA« mit »Radeon HD8400E«-Grafik (Quadcore, 2,00 GHz). Alle Varianten verfügen über zwei SO-DIMM-Sockel für bis zu 16 GByte DDR3-Single-Channel-Memory. Das Layout der externen I/O-Anschlüsse ist identisch mit dem der Vorläufergeneration »D3003-S«. Dadurch können die neuen Mainboards auch in die existierenden Mini-ITX-Gehäuse von Fujitsu eingebaut werden. So können Anwender bei gleichbleibendem Gehäuse einfach auf die neue Prozessorgeneration umsteigen und haben weiterhin eine gute Basis für ein kostengünstiges System. Zusätzliche Einsparpotenziale ergeben sich aus der Tatsache, dass sich die Anzahl der Boardlayer reduzieren und die Stromversorgung vereinfachen lässt, weil bei einem SoC viele Signalleitungen wegfallen, etwa zwischen Prozessor und Controller-Hub.

Energieeffizienz

Die Leistungsaufnahme der auf den D3313-S-Mainboards eingesetzten SoCs reicht von der 9-W- über die 15-W-Dualcore-Version bis zum Quadcore-Baustein mit 25 W TDP. Die Spannungsversorgung erfolgt entweder mit 12 V oder 19 V bis 24 V (Dual Range) über einen AC-Adapter. Ein DC/DC-Wandlerboard entfällt somit, das spart neben Kosten auch Einbauplatz. Da die CPU-Core-Spannung auf dem Board selbst geregelt wird, lassen sich Schwankungen in der Versorgungsspannung von bis zu ±10% abfangen. Die Stromstärke innerhalb des Mainboards liegt typischerweise bei 1 A. Die Multimedia-Engine der SoCs verfügt über einen C6-Modus (Deep Power Down), der die Leistungsaufnahme des Systems zusätzlich reduziert. Eine weitere Verringerung der Leistungsaufnahme erreicht AMD durch ein verbessertes Clock-Gating, das erstmals auch auf die Multimedia-Engine ausgeweitet worden ist.

Der niedrige Energiebedarf der neuen SoCs spart nicht nur Stromkosten, sondern bietet auch weitere Designvorteile. Wenig Leistung bedeutet wenig Wärmeentwicklung, deshalb lassen sich mit den neuen Mainboards auch lüfterlose Systeme realisieren. Dadurch wird das Embedded System nicht nur leiser sondern auch zuverlässiger, weil die fehleranfällige Mechanik eines Lüfters gar nicht erst eingebaut werden muss. Die Dimensionierung der Mainboards für 0 °C bis +60 °C im Dauerbetrieb unter Volllast soll zudem ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit garantieren.

Rechen- und Grafikleistung

Kompakter Formfaktor und geringer Energieverbrauch vermögen aber nur dann zu beeindrucken, wenn sie nicht zu Lasten der Performance gehen. Bei AMDs Embedded-G-Series ist das kein Problem. Basierend auf dem neu entwickelten »Jaguar«-CPU-Core in 28-nm-Fertigungstechnologie und der »Radeon«-GPU der 8000er-Serie, können die Ein-Chip-Systeme bei höheren Taktraten mehr Befehle pro Taktzyklus verarbeiten als frühere Generationen. Dies zeigt sich auch bei der Ausführung verschiedener rechenintensiver Standard-Benchmarks. In entsprechenden Tests von AMD zeigten die Bausteine im Vergleich zu den APUs der vorigen Generation eine um bis zu 113% höhere CPU-Performance.

Doch nicht nur das: Im Vergleichstest mit Marktbegleitern scheint die G-Series die Lücke zwischen Intels »Atom« und der hochpreisigen Technologieplattform »Core i« zu schließen. So bieten die AMD-Bausteine auf einem Preisniveau, das dem des Atom vergleichbar ist, eine Grafikperformance, die sich nicht nur mit diversen Core-i-CPUs messen kann, sondern diese teilweise sogar übertrifft. Die TDP-Werte sind dabei aber erheblich niedriger als bei Core-i3- oder Core-i5-CPUs.

Dass Fujitsu sich entschied, AMDs Embedded-G-Series für seine neuen Industriemainboards einzusetzen, hat aber noch weitere Gründe. Der verbesserte Universal-Video-Decoder beispielsweise bietet neue Möglichkeiten für die hardwarebasierte Video-Enkodierung, was für Anwendungen im Bereich Digital-Signage ebenso gute Voraussetzungen schafft wie für Videoüberwachung, bildgebende Verfahren in der Medizintechnik oder digitale Mischpulte, um nur einige Beispiele zu nennen. Des Weiteren unterstützen die SoCs eine drahtlose Displayanbindung über WLAN oder Ethernet bei minimaler Latenz. Dies bietet sehr gute Startbedingungen für Designs im Zeichen von »Industrie 4.0«, also der zunehmenden Integration von mobilen Endgeräten in die Industrieautomatisierung, mit der in den kommenden Jahren verstärkt zu rechnen ist.

Für grafikintensive industrielle Applikationen wie HMIs, aber auch andere Embedded-Lösungen in den Bereichen Digital-Signage, Kiosk oder Medizintechnik qualifiziert sich die Plattform noch mit weiteren Features: Sämtliche neuen Embedded-G-Series-basierten Mainboards von Fujitsu unterstützen zwei unabhängige, hochauflösende Displays auf der Basis von DVI-I, DisplayPort oder 24-Bit-Dual-Channel-LVDS. Die integrierten Radeon-8000-GPUs ermöglichen DirectX11.1, OpenGL 4.2 und OpenCL 1.2 (jeweils unter Windows 7, Windows Embedded Standard 7, Windows 8, Windows Embedded Standard 8 und Linux mit AMDs »Catalyst«-Treiber).

Daraus ergibt sich die Möglichkeit der Parallelverarbeitung und somit eine deutlich verbesserte Grafikleistung – im Vergleich zu den älteren APUs bis zu 20% mehr. Vom Parallel-Processing auf der CPU/GPU mit OpenCL profitieren vor allem Applikationen, in denen es auf höchste Präzision ankommt, was im Embedded-Bereich der Regelfall ist. Einschlägig sind hier zum Beispiel industrielle Steuerungen und Automatisierungsapplikationen sowie Anwendungen in den Bereichen Sicherheit und Überwachung, Medizintechnik sowie Kommunikation. Die integrierte GPU stellt solchen Applikationen über OpenCL-APIs eine Rechenleistung von bis zu 256 GFLOPs zur Verfügung.

Über den Autor:

Peter Hoser ist Sales Director OEM bei Fujitsu Technology Solution.