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Dank neuer Intel-Atom-Prozessoren

Computer-Module neu aufgelegt

10. November 2020, 07:49 Uhr   |  von Jürgen Jungbauer

Computer-Module neu aufgelegt
© Congatec

Kürzlich stellte Intel seine neuen Prozessoren der Atom-, Celeron- und Pentium-Serie – Codename Elkhart Lake – vor. Congatec hat auf deren Basis neue Computer-on-Modules entwickelt. Was sie leisten, lesen Sie hier.

Congatec stattet ab sofort fünf Formfaktoren mit den neuen Intel-Prozessoren aus: SMARC, Qseven, COM Express Compact und Mini sowie Pico-ITX. Mit der Kombination aus leistungsfähigen Low-Power-Prozessoren und Echtzeit-, Konnektivitäts- und Hypervisor-Technik, eigenen sich die Boards ideal für IoT-Anwendungen. Zu den Zielmärkten gehören unter anderem die Automatisierungs- und Steuerungstechnik: von verteilten Prozesssteuerungen in intelligenten Energienetzen und der Prozess­industrie bis hin zu smarter Robotik sowie SPS- und CNC-Steuerungen. Weitere Märkte sind Messen und Testen sowie Transport- und Verkehrswesen, zum Beispiel Zug- und Streckensysteme oder vernetzte autonome Fahrzeuge.

Darüber hinaus eignen sich die neuen Module für grafikintensive Anwendungen wie Edge-angebundene Geräte am Point of Sales (PoS) oder Kiosk- und Digital-Signage-Geräte. Ebenso können sie in Spiel- und Lotterieterminals zum Einsatz kommen. Hierfür bieten die Boards erweiterte Funktionen für die ferngesteuerte Machine-to-Machine-Kommunikation. Die aktuellen Atom-, Celeron- und Pentium-Prozessoren könnten also bald den Embedded- und Edge-Computing-Markt erobern und zum neuen Flaggschiff des Embedded Computings mit geringer Leistungsaufnahme von 4,5 bis 12 W aufsteigen. Hierfür gibt es zahlreiche Gründe.

Höhere Prozessorleistung

Die aktuellen Prozessoren von Intel bieten eine Leistungssteigerung von 50 Prozent für Multi-Thread-Anwendungen und bis zu 70 Prozent bei Single Thread gegenüber der Vorgängerarchitektur Apollo Lake. Wichtig für viele Anwendungen ist der Temperaturbereich von –40 bis +85 °C. Die bis zu vier Kerne takten im Boost-Modus auf maximal 3 GHz.

Ein entscheidender Punkt für Embedded-Anwendungen ist die zehn Nanometer-Prozessortechnik. Anwender der bisherigen Architekturen Apollo-Lake (14 nm), Braswell (14 nm) oder Bay-Trail (22 nm) bekommen beim Wechsel auf die neuen Elkhart-Lake-Varianten auch die Vorteile von Intels SuperFin-Technik. Mit ihr einher gehen eine höhere Packungsdichte sowie eine geringere Leistungsaufnahme bei gleicher Leistung beziehungsweise höhere Leistung bei gegebener Thermal Design Power (TDP). Beide Aspekte sind in Embedded-Designs essenziell. Vergleicht man die neuen Designs, die es in Varianten von 4,5 bis 12 W gibt, erhalten Anwender jeder TDP-Klasse eine höhere Leistung. Unterstützend wirken hierbei ebenfalls die Energiesparmodi der Prozessoren: eine EnergyStar-3.0-Zertifizierung – das ist besonders interessant für vernetzte Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme im Stand-by-Modus ohne speziellen Netzwerk-Proxy-Chip.

Vergleich Intel Atom Prozessoren
© Congatec

Tabelle 1. Vergleich der Atom-x6000- mit der Atom-E3900-Serie.

Ebenfalls gestützt wird der höhere Datendurchsatz von einem Mehr an RAM-Support, den der Anwender auf bis zu 16 GB LPDDR4-Speicher mit bis zu 4267 Megatransfers pro Sekunde (MT/s) ausbauen kann. Ein Vergleich der Lese- und Schreibgeschwindigkeiten einiger Elhart-Lake-Prozessoren (Atom x6000) mit den Vorgängermodellen aus der Apollo-Lake-Serie (E3900) ist in Tabelle 1 gezeigt. Echtzeitanwendungen werden zudem von Error Correction Code (ECC)-Implementierungen profitieren. Denn der Intel Inband Error Correction Code (IBECC) ermöglicht das Verwenden von preiswertem konven­tionellem Speicher anstelle von dediziertem ECC RAM. Der ECC- und Non-ECC-Modus ist dabei vom Kunden im BIOS justierbar. Besonders vorteilhaft ist, dass IBECC lediglich auf bestimmte Speicherbereiche anwendbar ist und Entwickler sich nicht für „ganz oder gar nicht“ entscheiden müssen. So lässt sich beispielsweise der Speicherbereich, der für eine missionskritische virtuelle Maschine reserviert ist, über IBECC vor Datenüberlauf schützen, während der restliche Arbeitsspeicher zugunsten höherer Datenraten ohne dieses Merkmal betrieben wird. Selbst mit aktiviertem IBECC sind die erzielbaren Datenraten häufig mehr als doppelt so hoch, als mit DDR3L-ECC-Speicher auf den Atom-E3900-Prozessoren.

Attraktiv ist in dem Zusammenhang ebenso der Onboard Universal Flash Storage (UFS)-2.0-Flash-Speicher. Im Vergleich zu eMMC verfügt der neue Speicherchip über eine höhere Bandbreite, schnellerem Datentransfer und größeren Speicherkapazitäten. All jenes wird auf der gleichen Grundfläche angeboten – UFS ist sogar als primäres Bootlaufwerk nutzbar.

Elkhart Lake vs. Apollo Lake
© Congatec

Die Elkhart-Lake-Prozessoren bieten eine deutliche Leistungssteigerung pro Watt gegenüber den Apollo-Lake-Prozessoren.

Schnellere Grafik

Die neuen Boards und Module überzeugen zudem mit ihrer doppelt so schnellen Grafik für bis zu dreifach 4k bei 60 Frames per Second (fps) und 10 Bit Farbtiefe. Möglich wurde die Leistungssteigerung mit der Integration der Gen11-Grafikeinheit, die schon in den Core-Prozessoren der 10. Generation (Ice Lake) verbaut wurde. Wie auch dort sitzt die GPU auf dem CPU-Die und profitiert von den Leistungs- und Energieoptimierungen der 10-nm-Fertigungstechnik. Vor allem jedoch sind die bis zu 32 integrierten Execution Units (EUs) für die Leistungssteigerung verantwortlich. Die doppelte Grafikleistung ist so schon alleine mit einer höheren Effizienz und gestiegenen Anzahl der EUs erreicht, denn Apollo Lake hatte mit seiner Low-Power-Gen9-Grafik maximal 18 EUs. Die Gen11-Grafik adressiert den daraus resultierenden höheren Bandbreitenbedarf über eine verbesserte Komprimierung, Erhöhung des L3-Caches sowie Erhöhung der maximalen Datentransferrate. Zudem unterstützt sie alle wichtigen Beschleunigungs-APIs wie DirectX 12, OpenGL 4.5, Vulkan 1.1, OpenCL 1.1 und Metal, was sie für 3D-Grafik sowie eine Vielzahl von GPGPU getriebenen Anwendungen prädestiniert. Anwendungen für den Videobereich, beispielsweise Digital Signage, Gaming sowie Streaming Clients, profitieren von der hardwarebeschleunigten En- und Decodierung aktueller Codecs wie HEVC (H.265), VP9 sowie deren Vorgänger AVC (H.264) und AV1.

SMARC, Qseven und COM Express Mini
© Congatec

Drei Brüder: SMARC, Qseven und COM Express Mini sind in der Größe vergleichbare Computer-on-Modules.

Höherer Datendurchsatz

Für viele Entwickler wird bei der Einführung der neuen Core-Prozessoren die Steigerung des Datendurchsatzes in Richtung Peripherie von entscheidender Bedeutung sein. Erstmals ist bei den Low-Power-Prozessoren PCIe der dritten Generation verfügbar, was ge­genüber dem bislang bei Apollo Lake verfügbaren PCIe der zweiten Generation eine Verdopplung der Datenrate zufolge hat: maximal 32 Gigabyte/s (16 Gigabyte pro Hin- und Rückkanal) bei 8 GHz anstelle 5 GHz Taktfrequenz.

Neu für Low-Power-x86 ist zudem der Support der USB-3.1-Gen2-Schnittstelle, die prozentual eine gegenüber USB-3.1-Gen1 deutliche Leistungssteigerung bietet. Unterstützt werden ab sofort bis zu 10 GBit/s – ein doppelt so hoher Datentransfer gegenüber USB 3.1 Gen1. Infolge sind somit erstmalig unkomprimierte UHD-Videosignale – etwa von einer Kamera auf einen Monitor – per USB übertragbar.

Eine höhere Taktrate der Peripheriebusse kann allerdings deutlichen Einfluss auf das Systemdesign haben, da Entwickler mit neuen Herausforderungen konfrontiert sind. Vor allem betreffend der Signal Compliance des Carrierboad-Designs. Höhere Taktraten machen das Routing deutlich komplexer und fehleranfälliger. Congatec bietet deshalb seinen Modulkunden umfangreiche Dienstleistungen und Compliance-Tests für ihre Carrierboards an. Auf die Weise ersparen sie sich den Rückgriff auf externe Labors und haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie im Falle eines Problems direkt mit den Experten sprechen können.

COM Express Compact Board
© Congatec

Das COM Express Compact Board wird vor allem für performante Designs eingesetzt.

Echtzeit über Standard Ethernet

Anwender schätzen außerdem Funktionen in Echtzeitanwendungen auf Basis von zum Beispiel VxWorks und Real-Time-Linux der neuen Boards: Hypervisor-Unterstützung für TSN (Time Sensitive Networking), TCC (Time Coordinated Computing) sowie RTS (Real-Time Systems). TSN ermöglicht Anwendungen wie taktiles In­ternet über IP – und das in Echtzeit. Hierzu bieten die Congatec-Module integrierte MAC-Adressen (Media Access Control), die TSN über 1 GbE unterstützen. Der Deggendorfer Embedded-Spezialist unterstützt TSN bereits seit längerem und hat hierzu auch schon  Entwicklungsplattformen bereitgestellt, die TSN-Vernetzung mit Echtzeitsteuerungen verbinden. Kunden, die TSN in ihre Produkte einbinden wollen, profitieren von den bereits verfügbaren anwendungsfertigen Geräten.

Intels TCC-Technik (Time Coordinated Computing) orchestriert die Echtzeitkommunikation auf Basis von Intel IP ebenso in Richtung I/O-Schnittstellen, um Latenzzeiten zu reduzieren und Jitter für synchrone Prozesse zu minimieren. Es ist über das TCC-Software-Toolkit entsprechend justierbar. Praktisch ist das beispielsweise für Echtzeitanwendungen im Sektor Transpor­tation, bei denen der prozessorinterne CAN-Bus integriert werden soll.

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2. Umfassender Virtualisierungs-Support

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