Intels Hybrid-Architektur

Computermodule für Embedded-Client-Systeme

27. September 2022, 10:00 Uhr | von Jürgen Jungbauer
Prozessor
© Mentor56 | AdobeStock

Module mit Core-Prozessoren der 12. Generation lassen sich mit 4 bis 16 Kernen und 8 bis 24 Threads skalieren. Ihre Hybrid-Architektur mit Performance und Efficient Cores eignet sich für viele Einsatzbereiche. Ganz nebenher lösen sie so manches Beschaffungsproblem.

Die aktuellen Herausforderungen in der Beschaffung führen dazu, dass Hersteller elektronischer Bauteile ihre knappen Ressourcen für margenstarke neue Komponenten verwenden. Verwenden OEM in Applikationen ältere Bauteile, bekommt die gesamte Wertschöpfungskette bis hin zum fertigen Produkt immense Probleme. In Windeseile müssen Hersteller neue Systemkomponenten qualifizieren und die Gesamtlösung zertifizieren. Sind die teuersten Komponenten in einem Embedded-System – und das sind der Prozessor und Arbeitsspeicher – davon betroffen, lässt sich die Herausforderung deutlich leichter meistern, wenn das System auf Computer-on-Modules (CoMs) basiert. Ganz zu schweigen davon, dass sich bestehende einmalige Entwicklungskosten mit solchen modularen Systemen nachhaltiger amortisieren lassen.

High-End-Workstations und -Desktop-Clients

Die Vorteile bei der Nachhaltigkeit sowie die höhere Beschaffungssicherheit von CoMs sind hierbei nicht nur für dedizierte Systeme mit individueller Auslegung der Schnittstellen interessant. Ebenso können Standardapplikationen wie industrielle High-End-Workstations und -Desktop-Clients davon profitieren. Sie finden sich zum Beispiel in Leitständen, der bildgebenden Medizintechnik oder auf Flughäfen, wo tausende Computer von Anzeigetafeln über Gepäckaufgabestellen bis hin zu Boardingsystemen zum Einsatz kommen. Sie profitieren davon, wenn sie auf Basis von beispielsweise Micro-ATX-kompatiblen Carrierboards mit COM-HPC-Steckplatz aufgebaut sind.

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COM-HPC-Size-A- und C- sowie COM-Express-Typ6-Module
Congatec bietet die 12. Generation der Intel-Core-Prozessoren auf COM-HPC-Size-A- und C- sowie COM-Express-Typ6-Modulen an.
© Congatec

Legen OEMs Systeme derartig modular aus, entfallen übliche Revisionsanforderungen oder aktuelle Lieferkettenprobleme. In der Regel sind Standard- oder semi-industrielle ATX-kompatible Motherboards lediglich für drei bis fünf Jahre lieferbar. Modulare Carrierboards ohne Prozessor und Speicher lassen sich zudem deutlich günstiger mit höheren Sicherheitsbeständen bevorraten. Gleiches gilt für alle Komponenten des Carrierboards, will man deren Bestücken nicht allzu lange vorfinanzieren. CoMs lassen sich so von der Dispositionslogik der Komponenten entkoppeln und je nach Beschaffungs- beziehungsweise Abkündigungslage einzelner Prozessoren deutlich flexibler und effizienter wechseln.

Gleichzeitig bietet der Moduleinsatz eine erweiterte Skalierbarkeit gegenüber klassischen Motherboard-Designs, die für dedizierte Prozessorsockel oder BGA-Bestückung ausgelegt sein müssen: Die gesamte Palette der 12. Generation der Intel-Core-Prozessor-basierten CoMs ist somit einsetzbar. Also sowohl die Ball-Grid-Array(BGA)- als auch die Land-Grid-Array(LGA)-Varianten der Generation – und alle weiteren Prozessoren, die auf CoMs verfügbar sind. Congatec bietet die aktuellen Core-Prozessoren beispielsweise in vier BGA- und zehn LGA-basierten Varianten an. Die Leistungsoptionen reichen von COM-HPC-Client-Size-C-Modulen mit einem gesockelten 16-Core-i9-Prozessor mit besonders hoher Embedded-Client-Leistung bis hin zu den Meistern der Preis-Leistungs-Optimierung – mit Celeron-7305E-Prozessor-basierter BGA-Bestückung.

Tabelle 1
Tabelle 1. Die vier gesockelten Prozessorvarianten der COM-HPC-Client-Size-C-Module »conga-HPC/cALS« sind für industrielle High-End-Workstations und -Desktop-Clients ausgelegt.
© Congatec

Module werden zur Best-Purchase-Strategie

Das Optimieren eines Systems und/oder ganzer Systemfamilien auf ein aufgabenspezifisches Preis-Leistungs-Verhältnis ist hiermit nicht mehr durch die BGA- oder LGA-Pins eines Prozessors beschränkt. Sie erweitert sich vielmehr auf die gesamte Auswahl der am Markt verfügbaren Computer-on-Modules. Das Best-Practice-Design-Prinzip für industrielle Losgrößen wird aufgrund aktueller Lieferkettenprobleme somit zur Best-Practice-Purchase-Strategie. Hiermit wird die Strategie in vielen OEM-Unternehmen eine Vorgabe, die die oberste Managementebene für neue Designs trifft. Schließlich belasten die Herausforderungen der aktuellen Fehlteileproblematik Dispositions- und Einkaufsabteilungen teils immens über das zumutbare Maß hinaus. Das führt zu enormen Reibungsverlusten und die Effizienz ganzer Fabriken leidet.

Neue CoMs der 12. Generation der Core-Mobilprozessoren können einerseits die Beschaffungsprobleme bei Standard- oder semi-industriellen ATX-Motherboards lösen. Andererseits ist ihre Hybrid-Architektur nachhaltiger. Denn die Performance ist besser ausbalancierbar. Bei gegebener TDP senkt das die Leistungsaufnahme – ein zunehmend beachteter Aspekt in Zeiten, in denen allerorts der Energieverbrauch um 15 Prozent zu drosseln ist. Konzeptionell lassen sich mit der Hybrid-Architektur jedoch deutlich höhereKosten sparen. Nämlich die, die sich für Maschinen- und Anlagenbauer aus dem Konsolidieren ihrer Workloads ergeben.

Micro-ATX-kompatible Carrier
Der Micro-ATX-kompatible Carrier für COM-HPC-Size-A-, B- oder C-Module ermöglicht das Entwickeln nachhaltiger High-End-Workstations und -Desktop-Clients.
© Congatec

Konsolidieren von Workloads für Maschinen und Anlagen

Allein die Tatsache, dass Entwickler mit Embedded-Client-Prozessoren inzwischen bis zu 16 Cores orchestrieren können, eröffnet für viele Embedded- und Edge-Computing-Systeme hinreichend Flexibilität, heterogene Workloads auf ein einziges System zu konsolidieren. Das spart Kosten sowie Energie im laufenden Betrieb. Entwickler hätten bereits vorher Workloads konsolidieren können. Jedoch gab es die Perspektive, einen solchen Weg konsequent über einen längeren Zeitraum Stück für Stück umzusetzen, nicht so ausgeprägt. Ebenfalls die Möglichkeit, die Plattform mit jeder neuen Funktion bedarfsgerecht über die Hinzunahme neuer Cores passgenau innerhalb einer Prozessorfamilie immer wieder neu anzupassen, gab es bislang so nicht. Wirklich viele Cores finden sich bisher lediglich auf Server-Prozessoren. Sie waren für viele Echtzeitaufgaben, die Entwickler gerne aufgrund des Determinismus auf einzelne Cores verteilen, meist überdimensioniert und zu teuer. Auch haben Server-Prozessoren keine integrierte Grafik. Jede Maschine oder Anlage hat heute jedoch ein leistungsfähiges Graphics User Interface (GUI). Insofern eröffnen die vier bis 16 Cores der 12. Generation Core-Prozessoren Entwicklern neue Möglichkeiten in puncto Flexibilität für Multitasking, Parallelverarbeitung, Virtualisierung und Skalierbarkeit – und das in Kombination mit Echtzeitanforderungen.

Tabelle 2
Die 10 gelöteten Prozessorvarianten der COM-HPC-Client-Size-A-Module »conga-HPC/cALP« mit den Maßen 95 mm x 120 mm ermöglichen bei Auslegung bis rund 30 W TDP komplett passiv gekühlte High-End-Client-Systeme.
© Congatec

Die bisher schnellsten COM-Express-Typ-6- und COM-HPC-Client-Size-A-Module mit Intel Core- und Xeon-Prozessoren der 11. Generation boten lediglich bis zu acht Cores. Wollte ein Entwickler Echtzeitsteuerung, Human-Machine-Interface(HMI)- und Gateway-Funktionen zusammen mit Bildvorverarbeitung und künstlicher Intelligenz (KI) auf einer einzigen echtzeitfähigen Client-Plattform zusammenführen, war das lediglich für weniger komplex verteilte Systeme attraktiv. Zudem verschwendete man leistungsfähigere Cores für weniger leistungshungrige Echtzeittasks. Der Technologiesprung hin zum Konsolidieren von Workloads ist jedoch für Anbieter, die eine Vielzahl verteilter heterogener »Intelligenz« haben, noch interessanter, denn hier ist das Einsparpotenzial höher. Voraussetzung sind jedoch viele und vor allem kleinere Cores. Solche heterogenen Architekturen sind ab sofort für x86-Module verfügbar.

Hypervisor-Technik
Die Hypervisor-Technik von Real-Time Systems sowie die Betriebssystemunterstützung für Real-Time Linux und Wind River VxWorks machen das Angebot von Congatec zu einem runden Paket.
© Congatec

Bis zu 16 Cores und 24 Threads

Die bis zu 16 Cores und 24 Threads machen es deutlich einfacher, mehrere homogene Robotersteuerungen auf einer einzigen Hardware zu konsolidieren und das Zusammenspiel der Roboter zentral zu orchestrieren. So kommunizieren die Steuerungen untereinander lediglich über virtuelles Ethernet zwischen den einzelnen Cores. Sie bekommen alle ihre eigene echtzeitfähige virtuelle Maschine. Das Anbinden der Sensoren und Aktoren erfolgt ebenfalls über Ethernet. Die gesamte Kommunikation wird in Echtzeit mittels Time-Coordinated-Computing(TCC)- und Time-Sensitive-Networking(TSN)-Support synchronisiert.

Die Anbindung an übergeordnete Edge Server erfolgt zunehmend über ein drahtloses 5G-Campusnetz. Aufgrund der zahlreichen Cores stehen hier zahlreiche Optionen zum Virtualisieren von Netzwerkfunktionen bereit. Entwickler können sie am besten ohne Echtzeiteinbußen mit »Type1«-Hypervisoren umsetzen. Type1-Hypervisoren sind Bare-Metal-Hypervisoren, die im »Privileged Mode« voll echtzeitfähig sind und keine zusätzliche Latenz erzeugen. Reißt man die Käfige um die Fertigungszellen ab, um Cobot-Applikationen zu realisieren, kommt Situationserkennung mit leistungsstarker Sensorik hinzu. All das benötigt immer mehr Rechenleistung, für die die neue Core-Prozessortechnik deutlich mehr Raum nach oben bietet.

Optimiert für eine hohe Embedded-Client-Performance, liefert die Grafik der LGA-Prozessor-basierten Module laut Hersteller eine bis zu 94 Prozent höhere Leistung im Vergleich zu bislang verfügbaren Modulen. Ihre Inferenzleistung zur Bildklassifizierung hat sich zudem mit einem bis zu 181 Prozent höheren Durchsatz fast verdreifacht. Außerdem bieten die Module eine gestiegene Bandbreite für den Anschluss von Graphics Processing Units (GPUs). Hiermit erzielen sie eine hoch performante Grafikleistung sowie eine hohe »General Purpose Computation on Graphics Processing Unit«(GPGPU)-basierte KI-Leistung.

Prozessorintegrierte KI

Neben schnellem DDR5-Speicher, hoher Bandbreite und bis zu PCIe Gen 5 Performance überzeugen die neuen Module im COM-HP-Client-Format zudem durch dedizierte KI-Engines. Sie unterstützen Windows ML, die Intel-Distribution des Toolkits »OpenVINO« und »Chrome Cross ML«. Die verschiedenen KI-Workloads lassen sich nahtlos an die P- und E-Cores sowie die GPU-Ausführungseinheiten delegieren, um selbst intensive Edge-KI-Workloads zu verarbeiten. Weiterhin nutzt die integrierte Deep-Learning-Boost-Technik von Intel die verschiedenen Cores über Vector Neural Network Instructions (VNNI). Zudem unterstützt die inte­grierte Grafik KI-beschleunigte »DP4a«-GPU-Anweisungen, die sogar auf dedizierte GPUs skalierbar sind. Weiterhin ermöglicht der »Gaussian & Neural Accelerator 3.0« (Intel GNA 3.0) eine dynamische Störgeräuschunterdrückung und Spracherkennung. Er ist sogar im Stromsparmodus des Prozessors mittels eines Sprachbefehls aktivierbar.

All die Features sind auf CoMs zusammen mit dem Support der Hypervisor-Technik von Real-Time Systems applikationsfertig verfügbar. Zudem unterstützen die Module die Betriebssysteme Real-Time Linux und Wind Rivers VxWorks. Auf Micro-ATX-Carrierboards können Entwickler sie zusammen mit passenden, individuellen Kühlkörpern in industrielle Workstations integrieren. Auf Anfrage sind die Schaltpläne solcher PCB-Designs ebenfalls erhältlich. So lassen sich individuelle Carrier für Roboter, Maschinen und Anlagen oder 8K-Digital-Signage-Systeme mit vier unabhängigen Monitoren entwickeln. All das macht Computermodule mit Intels 12. Generation an Core CPUs zu einem runden Paket. Es erleichtert und beschleunigt das Entwickeln von High-End-Embedded- und Edge-Computing-Clients jedweder Ausprägung.

Jürgen Jungbauer
Jürgen Jungbauer von Congatec.
© Congatec

Der Autor

Jürgen Jungbauer ist Product Line Manager bei Congatec und zudem verantwortlich für die Entwicklung und Markteinführung von neuen Produkten. Vor seinem Wechsel zu Congatec war er langjährig für DaimlerChrysler und Siemens in vertrieblichen Funktionen und im Produktmanagement tätig. Herr Jungbauer ist ausgebildeter Bankkaufmann, verfügt über ein Diplom der Betriebswirtschaftslehre der Technischen Hochschule Regensburg und hat ein postgraduales Fernstudium zum Master of Business Administration an der Europäischen Fernhochschule Hamburg absolviert. juergen.jungbauer@congatec.com


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