Computer-On-Modules On-Chip-Grafik für die Medizintechnik

Embedded-Computing-Techniken sind aus der Medizintechnik nicht mehr wegzudenken. Ob in der bildgebenden Diagnostik, zum Beispiel in Ultraschallgeräten und Endoskopen, im Patienten-Monitoring als PDMS-Systeme, in Befundungs-Workstations oder leistungsfähigen Labor- und Diagnosegeräten, zum Beispiel für die DNA-Analyse.

Dabei unterscheiden sich die einzelnen Applikationen stark in den Anforderungen an die Prozessorplattformen. Ultraschallgeräte etwa erfordern eine leistungsstarke 3-D-Grafik, zusätzlich jedoch auch eine hohe, parallele Rechenleistung, um die Sensor-daten in Echtzeit in 3-D-Computerdaten zu überführen. Patientendaten-Monitoringsysteme mit einem oder mehreren Touchscreens profitieren von einer leistungsstarken Grafik:

Dank ihr lassen sich die vielfältigen Informationen verzögerungsfrei darstellen. Eine hohe Rechenleistung benötigen die Systeme dafür aber nicht. Auch Endoskopie-Systeme verlangen nach einer hohen Grafikleistung, müssen darüber hinaus aber auch die von den Kameras gelieferten Videodaten ohne Verzögerung darstellen können. Hier sind also eine hohe Video-Leistung und Bildqualität gefragt.

Ein weiteres wichtiges Kriterium: Medizinsysteme sollen immer näher am »Point of Care« zum Einsatz kommen. Dazu müssen sie kompakter, mobiler und letztendlich auch preisgünstiger werden. Für die zugrundeliegenden Embedded-Computing-Plattformen heißt das: sehr hohe serielle und parallele Rechen- und Grafikleistung bei geringem Energiebedarf und kleinem Footprint. Mit schnelleren x86er-Prozessorkernen alleine lassen sich diese unterschiedlichen Anforderungsprofile nicht erfüllen.

APU: x86-Kerne und Grafik auf einem Chip

Gesucht sind vielmehr Prozessorplattformen mit dedizierten Rechenkernen, die auf die jeweilige Aufgabenstellung spezialisiert und unabhängig skalierbar sind. Nur so können Entwickler optimal auf di

Damit bieten sie nicht nur hohe Grafik- und Rechenleistung, sondern können auch unterschiedliche Datenstrukturen jeweils optimal verarbeiten: multifunktionale, serielle Arbeitslasten über die x86er-Kerne und parallele Arbeitslasten, zum Beispiel für die Bildverarbeitung, über die Grafikeinheit. Dafür besteht die integrierte GPU aus einer großen Anzahl programmierbarer, sogenannter SIMD-Engines (Single Instruction Multiple Data).

Diese SIMD-Engines sind Recheneinheiten, die einen Befehl auf mehrere Dateneinheiten parallel anwenden können (Bild 1). Das macht APUs zu einer energieeffizienten und hochskalierbaren Prozessorplattform, welche die GPGPU-Berechnungsmöglichkeiten (General-Purpose GPU) der leistungsstarken Grafik auch für andere, hochgradig parallele Aufgaben nutzt. Und das alles auf einem kompakten und energieeffizienten Footprint.

Aktuell bietet AMD seine APUs in zwei Prozessorserien an, die über einen breiten Leistungsbereich skalierbar sind. Die »Embedded G-Series«-APUs für sehr kompakte Low-Power-Anwendungen integrieren einen Single- oder Dualcore-x86-Prozessor mit unterschiedlichen Grafik- und Video-Leistungsvarianten mit bis zu 80 GPU-Kernen. Damit erreichen sie laut AMD eine »Single Precision Performance« (Berechnungen mit einfacher Genauigkeit) von bis zu 90 GFLOPS.

Zwei Serien, zwei Leistungsklassen

Für leistungsfähigere Applikationen sind die APUs der »Embedded R-Series« mit Dual- und Quadcore-Prozessoren und mit leistungsstarken AMD-Radeon-Grafikeinheiten der »7000er«-Familie erhältlich (Bild 2). Grafikseitig erhöht die R-Serie die Anzahl der parallelen Recheneinheiten auf bis zu 384, damit steigt die Single-Precision-Performance auf bis zu 576 GFLOPS.

Bei der 3-D-Leistung liegt die »R-464L«-APU laut AMD mit einem »3Dmark Vantage ‚E‘«-Ergebnis von 13 066 deutlich oberhalb der Leistungsklasse bisher verfügbarer integrierter Grafikeinheiten (Systemkonfiguration R-Series-APU: AMD-R-464L-APU, AMD-»Pumori«-Motherboard mit AMD-A75-Fusion-Controller-Hub, 4 GByte RAM, Windows 7 Ultimate Edition.

Systemkonfiguration G-Series-APU: AMD-G-T56N-APU, »iBase MI958«-Motherboard mit AMD-A55E-Fusion-Controller-Hub, 4 GByte RAM, Windows 7 Ultimate Edition). Mit der sogenannten »Dual-Graphics«-Technik können Entwickler zusätzlich die Grafikleistung beziehungsweise parallele Rechenleistung unabhängig vom Prozessor skalieren: Sie kombiniert die Grafikleistung der integrierten GPU mit einem dedizierten Grafikprozessor wie dem »Radeon E6760«.

Welcher Formfaktor?

Damit Applikationsentwickler die parallele Leistung auch effizient einsetzen können, unterstützen die APUs »OpenCL 1.1« und »DirectCompute« von Microsoft. Damit können OEMs die Applikationssoftware unabhängig von der Hardwareplattform entwickeln, zudem erhalten sie eine einheitliche Toolchain und Programmiersprache für alle derzeit verwendeten Parallel-Prozessoren.

Sie können die gleiche Softwarebasis in unterschiedlichen medizinischen Applikationen nutzen. Außerdem erhalten Entwickler einen sicheren Migrationspfad für ihre Anwendungen auf kommende (Parallel-)Prozessortechnologien. Wie aber können OEMs diese vielseitigen Prozessoren effizient in ihre Medizinapplikationen mitihren sehr unterschiedlichen elektrischen und physikalischen Anforderungen, individuellen Bauformen und unterschiedlichen I/Os für Sensoren und Vernetzung eindesignen? Und zugleich die hohen Hygieneanforderungen beachten, die idealerweise über ein komplett geschlossenes, lüfterloses Design erfüllt werden?

Hier bietet die »Computer-on-Module«-Technik Vorteile und sowohl hohe Flexibilität als auch Designsicherheit. Computer-on-Modules (COMs) sind Embedded-PCs mit erweiterterten Core-Funktionen, die sich einfach auf Basisboards aufstecken lassen. Die Entwickler müssen ein solches COM lediglich über ein Trägerboard mit kundenspezifischen I/Os in die Kundenumgebung einbetten - so bleiben Computing- und Applikationsebene sauber voneinander getrennt.

Auch ist die Trägerplatine in nahezu jeder beliebigen Form auslegbar, sodass OEMs große Freiheiten bei der Formgebung haben. Damit wird die Entwicklungs- und Design-in-Phase von Embedded-Medical-Systemen erheblich leichter. Die Support- und Entwicklungsingenieure des COM-Anbieters unterstützen den Kunden bereits bei der Produktidee, so lassen sich Systemkosten und die Systemintegration von Beginn an optimieren.

Congatec bietet mit insgesamt fünf verschiedenen Computermodulen, basierend auf Embedded-APUs von AMD, eine große Skalierbarkeit in mechanischer Größe sowie Grafik- und Prozessorleistung für sehr unterschiedliche Einsätze in der Medizintechnik (Bild 3).

Winziger Rechenriese

Mit dem Qseven-Modul »conga-QAF« bietet congatec jetzt ein mit 70 mm x 70 mm besonders kompaktes Embedded-Computer-Modul auf Basis der neuesten G-Series-APUs an (Bild 4). Qseven ist der offene Standard der SGeT im Embedded-Computing-Bereich speziell für ultramobile Anwendungen und damit besonders für die Low-Power-Prozessoren G-Series geeignet.

Qseven setzt durchweg auf aktuelle serielle Techniken wie PCI Express und Serial-ATA, Displays werden ausschließlich digital angesteuert. Dank seiner kompakten Abmessungen und der sehr geringen Bauhöhe eignet sich der Standard auch für flache und kompakte Handheld-Designs mit Batteriebetrieb wie Medical-Tablets, Nurse-Stations oder Ultraschall-Tablets.

Doch es muss nicht immer ein Winzling sein - die bewährten Standards ETX und XTX sind bereits in vielen Millionen Basis-Boards implementiert, sodass sich hier die Frage nach dem Formfaktor für ein zukünftiges COM nicht wirklich stellt. Auch bei Redesigns ist es meist sinnvoll, bewährte Standards weiterzuführen. Hierfür spricht das große Angebot an ETX/XTX-kompatiblen Basis-Boards und Peripherie (Kühlung, Gehäuse), wobei sich Entwickler bei neuen Designs ohne ISA-Notwendigkeit wohl meist für XTX entscheiden werden.

Hierzu bietet congatec die Module »ETX-COM conga-EAF« und »XTX-COM conga-XAF« an. Beide basieren auf den G-Series-APUs und sind mit einer thermischen Verlustleistung von 9 W bis 18 W lieferbar. Damit eignen sie sich gut dazu, bestehende Designs mit aktueller Grafikleistung aufzurüsten und so den »Return on Investment« bestehender Applikationen auf ETX/XTX-Basis zu maximieren.

Auf dem bestehenden COM-Express-Pinout »Typ 2« können Entwickler die G-Series-APU von AMD ebenfalls einsetzen - mit dem »COM Express Basic conga-BAF«-Modul (Bild 5). Anwender profitieren von einer hohen CPU- und Grafikleistung bei gutem »Leistung-pro-Watt«-Verhältnis. Das Modul ist über die gesamte Bandbreite der verfügbaren G-Series-Plattform-APUs skalierbar, damit können OEMs die Rechenleistung fein auf die jeweiligen Ansprüche abstimmen.

Und für neue COM-Express-Designs auf Basis des »Typ 6«-Pinout mit verbesserter Prozessorleistung steht das »conga-TFS«-Modul auf Basis der AMD Embedded-R-Serie zur Verfügung.

Dieses neue Pinout des Standards baut auf dem erfolgreichen »Typ 2«-Pinout auf und wird dieses auf lange Sicht ablösen (Bild 6).

So wurden die alten, parallelen Schnittstellen wie PCI-Bus und IDE durch zahlreiche neue Schnittstellen ersetzt:

  • 4x USB-3.0-Schnittstellen,
  • 3x DDI (Digital Display Interface) und
  • 2x zusätzliche PCIe-2.0-Lanes.

An Grafikschnittstellen stehen unter anderem VGA und 18/24-Bit-Single/Dual-Channel-LVDS zur Verfügung; hinzu kommen drei DisplayPort-1.2- und eine HDMI-1.4-Schnittstelle sowie zwei Single-Link-DVIs zur direkten Ansteuerung von drei unabhängigen Displays. Dies bietet eine besonders effiziente Basis für Multimonitor-Installationen beispielsweise für die OP-Vorbereitung sowie als PDMS (Patient Data Management System).

 

Über den Autor:

Christian Eder ist Director of Marketing bei congatec.