Industrielle System-Boards: Flaches Design für hohe Performance

Einsatz der Industrie-System-Boards im IoT- und Industrieumfeld.
Einsatz der Industrie-System-Boards im IoT- und Industrieumfeld.

Viele kommerzielle Motherboards für Skylake-Prozessoren eignen sich nicht für den Einsatz im rauen IoT- und Industrieumfeld. Das Board-Format Thin Mini-ITX kommt dem industriellen Einsatz besonders entgegen.

Auf industriegerecht ausgelegten Motherboards, wie sie beispielsweise in robusten Box-PCs, Panel-PCs und All-in-One-Systemen zum Einsatz kommen, werden oft die leistungsstärksten Embedded-Prozessoren verbaut. Einer der Hauptgründe ist, dass Gerätehersteller konstant die Funktionalität ihrer Geräte, Maschinen und Anlagen durch Software verbessern. Diese zunehmend mächtigere, funktionsreichere Software mit intuitiveren, grafisch animierten Bedienoberflächen und Multitouch-Gesten zur vereinfachten Benutzerführung braucht nämlich viel Rechenleistung.

Die Anbindung der Systeme an das Internet der Dinge und die Umsetzung von M2M und Industrie-4.0-Lösungen erhöhen den Leistungshunger weiter. Beide Einsatzbereiche erfordern zusätzliche Datenverarbeitungs- und Kommunikationskapazitäten – inklusive Verschlüsselung und Virenschutz. Auch eine zunehmend höher auflösende Grafik sowie optional auch mehrere unabhängig voneinander betriebene Displays müssen durch entsprechende Prozessorleistung gestützt werden, damit die Bildwiederholraten nicht einbrechen. Es gibt aber auch strikte Grenzen für die zu integrierende Prozessorplattform. Sie ergeben sich durch Limits bei der Wärmeentwicklung. Bis circa 15 Watt Prozessor-TDP können lüfterlose Systeme noch zu vertretbaren Kosten entwickelt werden. Unterhalb dieser Schwelle erweitert die 6. Generation der Intel-Core-Prozessoren die Grenzen des Machbaren signifikant.

Neue Intel-Prozessorgeneration

Unter der Haube bieten die System-on-Chip-Prozessoren der 6. Generation die komplett überarbeitete Skylake-Mikroarchitektur. Im Vergleich zur fünften Generation (Codename Broadwell) bringt diese neue Architektur rund 10 % mehr Systemleistung sowie eine 11 % höhere Energieeffizienz. Eingeführt wurde unter anderem eine optimierte Verschaltung, die über eine Ringbusarchitektur die CPU-Kerne, Grafikeinheit und den Last Level Cache (ehemals L3-Cache) verbindet. In den Ultra-Low-Voltage-Versionen, die für industrie­taugliche, lüfterlose 15-Watt-Designs relevant sind, binden sie zudem auch die Display-, Speicher- und I/O-Controller ein. Neu in dieser Wattklasse ist auch die konfigurierbare Thermal Design Power (cTDP), mit der sich die Bausteine von 7,5 bis 15 Watt auf das thermische Design der Applikation abstimmen lassen. Für ein schnelleres Umschalten zwischen den Power States sorgt die neue „Speed Shift“-Technik, sodass bei bestimmten Applikationen gegenüber Intel-Core-Prozessoren der fünften Generation ein Leistungsplus von 20 bis 45 % erzielt werden kann. Bei gleicher Leistungsanforderung wird der Energieverbrauch entsprechend gesenkt.

Zugelegt hat auch die Leistungsfähigkeit der für Windows 10 optimierten Grafikeinheit. Sie ist auf den neuen 15-Watt-SoCs nun als „Intel 500 Graphics Series“ integriert. Diese neunte Generation der Intel-Chipsatz-Grafik versorgt bis zu drei unabhängige 4K-Displays mit 60 Hz via DisplayPort 1.2; unterstützt wird auch HDMI 1.4. Der DirectX-12-Support sorgt zudem für noch schnellere 3D-Grafik unter Windows 10. Integriert ist auch eine zusätzliche Video Engine. Sie sorgt bei minimaler CPU-Last und damit geringem Stromverbrauch für das En- und Decoding von Videodaten in den Formaten HEVC, VP8, VP9 und VDENC. Damit ist erstmals das energieeffiziente Streaming von HD-Videos in beide Richtungen – also sowohl Upstream als auch Downstream – möglich. Dazu passt, dass die neuen ULV-Prozessoren auch erstmals eine MIPI-CS2-Kameraschnittstelle für zwei Videoeingänge enthalten. Dank dem Support von OpenCL 2.0 können die 24 Execution Units der Grafikeinheit zudem die CPU bei rechenintensiven parallelen Tasks entlasten.

Leistungsfähigere Peripherie und Speicher

Neu ist auch die Unterstützung von DDR4-Speicher, der eine deutlich höhere Bandbreite bietet, schneller arbeitet und mit 1,2 Volt auch energieeffizienter ist als bisherige DDR3L-Bausteine mit 1,35 Volt. Außerdem verdoppelt sich die Speicherdichte, sodass mit zwei RAM Slots nun bis zu 32 GB Arbeitsspeicher möglich sind. Es wird erwartet, dass DDR4-RAM zu günstigeren Marktpreisen erhältlich sein wird als der derzeit noch verfügbare DDR3-RAM. Performance und Preisgründe zusammengenommen werden deshalb mit hoher Wahrscheinlichkeit dazu führen, dass Entwickler die sechste Generation der Intel-Core-Prozessoren sehr schnell in ihre Applikationen integrieren werden.

Den hohen I/O-Anforderungen der zunehmend vernetzen Applikationen trägt die sechste Intel-Core-Prozessorgeneration auch mit einem Mehr an Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen Rechnung. So bieten die SoC-Versionen mit PCI Express Gen 3.0 eine nahezu verdoppelte Datenrate. Auch enthalten sie doppelt so viele USB-3.0-Schnittstellen (jetzt 4) wie ihre direkten Vorgänger (Bild 1).

Kasten: Embedded Design & Manufacturing Services

 

Im Rahmen seiner Embedded Design & Manufacturing Services (EDMS) bietet congatec seinen Kunden von individuellen Anpassungen der Standard-Boards bis hin zu Full Custom Designs eines passenden Systems alles an, was der Gerätehersteller braucht, um ein komplettes System zu erhalten. Bereits umgesetzte Designs reichen von Box-PC und IoT-Gateways bis hin zu Kiosk-Systemen.

In EDMS-Projekten ist congatec ein umfassender Dienstleister: Deren EDM Services beginnen in der Konzeptphase bereits beim Requirements Engineering. Entwickelt wird die komplette spezifische Hardware sowie entsprechende Hardware-nahe Software wie BIOS, Treiber und Betriebssystem-Images, sodass die kundenspezifische Applikation passgenau integriert werden kann. Gesteuert wird auch die gesamte Fertigung, Systemintegration und optional auch die Zertifizierung sowie die globale Logistik für die Auslieferung auch beim Kunden des Kunden. Unterstützt werden OEM-Kunden zudem auch beim technischen Support der Systeme.