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Embedded-Technologien entwickeln

Kundenspezifische Produkte im Fokus

DMS Advantech
Mit seinen Design & Manufacturing Services bietet Advantech umfassende Dienstleistungen an.
© Advantech

Um das Innovationspotential der Digitalisierung in Wettbewerbsvorteile umzumünzen, gilt es, die großen Datenmengen zu beherrschen. Für intelligente Anwendungen ist es nicht ausreichend, die Daten in Rechenzentren oder einer Cloud zu speichern. Hier sind kundenspezifischen Anwendungen nötig.

Die fortschreitende Digitalisierung führt zu einem bisher nie dagewesenen Datenaufkommen. Mit dem Internet of Things (IoT) sind zunehmend Maschinen, Werkzeuge und Anlagen über das Internet vernetzt. Mithilfe künstlicher Intelligenz (KI/AI) können die Geräte aus Erfahrungen lernen und Aufgaben eigenständig lösen. Hierbei zeigt sich: Je komplexer und intelligenter die Anwendung, desto mehr Daten fallen an. Bei einer Kombination von AI und IoT zum Artificial Internet of Things (AIoT) gewinnen lernende Maschinen an Intelligenz und kognitiven Fähigkeiten, wie man sie für Echtzeitanforderungen in autonomen Systemen benötigt. Hierbei ergibt sich eine auf den ersten Blick einfache Rechnung: Je »intelligenter« die Maschine und je mehr Sensoren, desto mehr Daten sind zu verarbeiten. Doch wie können Entwickler die immensen Datenmengen so speichern, dass sie in Echtzeit zu verknüpfen und jederzeit abrufbar sind, ohne die Wirtschaftlichkeit aus den Augen zu verlieren?

Der Ansatz, die Daten an zentralen Stellen wie Datenzentren zu aggregieren und zu speichern ist sinnvoll, solange das Datenaufkommen pro Gerät nicht zu hoch ist und geringe Anforderungen an die Reaktionszeit des Systems gestellt werden. Mit zunehmender Datenmenge steigen die Verbindungskosten überproportional, speziell wenn eine hohe Verfügbarkeit der Internetanbindung gefordert ist. Kommen noch garantierte Bandbreiten und Antwortzeiten (geringer Netzwerk-Jitter) hinzu, ist der Ansatz schnell unwirtschaftlich. Ein Verarbeiten und Speichern der Daten am Edge erscheint als ein vielversprechender Ansatz. Schnell stellt sich die Frage, was zu tun ist, wenn die eingesetzten IT-Lösungen den Anforderungen im Feld nicht standhalten, weil sie nicht für den Einsatz am Edge konzipiert wurden.

Limitierungen in Industriecomputern

Es ist eine große Auswahl an Industriecomputern für bestehende Anwendungen verfügbar, jedoch sind sie lediglich selten für datenintensive Anwendungen des AIoT optimiert. Limitierungen treten im Bereich der Speicherbandbreite und –kapazität, der verfügbaren I/O-Bandbreite und nicht zuletzt der unzureichenden Optionen für hoch performante, ausreichend große und zuverlässige Massenspeicher auf. Gerade Massenspeicher sind in vielen Embedded-Anwendungen traditionell für Betriebssystem, Anwendungsprogramme und wenige dynamische Daten vorgesehen. Kein Wunder, dass die meisten Industriecomputerhersteller zwar die Motherboards und Gehäuse selbst entwickeln und herstellen, die Festplatten beziehungsweise SSDs jedoch von Drittanbietern zukaufen.

Anforderungen an industrielle Speicher

Ob industrielle Datenaufzeichnung, intelligente Assistenzsysteme oder autonome Anwendungen – einige technische Anforderungen sind diesen Systemen gemeinsam:

Rechenleistung: Sie bestimmt sich nicht allein über die Anzahl und Taktfrequenz der CPU-Kerne. Ebenso hat die Effizienz des Instruktionssatzes entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit einer Plattform. Fließkommaoperationen spielten in der Vergangenheit eine große Rolle und werden heute um Anforderungen für Matrix und Bildberechnungen bis hin zur Inferenz komplexer neuraler Modelle ergänzt. Hiermit erweitert sich das Spektrum der eingesetzten CPUs: Es reicht von klassischen Desktop/Notebook-Prozessoren über Server-CPUs bis hin zu speziellen System-On-Chips mit integrierten Beschleunigern wie GPUs, Video- und Imageprozessoren. Sind Beschleuniger extern anzubinden, müssen ausreichend viele PCI-Express-Schnittstellen zur Verfügung stehen, um die nötige Bandbreite zu gewährleisten.

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Bild 1: Immer mehr kommen SSDs in industriellen Produkten zum Einsatz.
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Hauptspeicher: Mit steigender Komplexität und der Forderung nach kurzen Reaktionszeiten steigt unweigerlich der Bedarf an schnellem Cache-Speicher auf der CPU. Mit dem Begrenzen der (wirtschaftlichen) Cache-Größe, setzt sich das in der Notwendigkeit fort, immer mehr (Meta-)Daten im Hauptspeicher vorzuhalten. Hierdurch steigt sowohl der Bedarf an den Speicherausbau als auch den Durchsatz. Das führt unweigerlich zu einem Mehr an Speicherkanälen und -steckplätzen. Prozessoren, die in »normalen« Industriecomputern mit zwei Speicherkanälen und maximal vier Steckplätzen einen guten Dienst getan haben und tun, müssen für hoch performante, »intelligente« Anwendungen Prozessoren mit sechs und mehr Speicherkanälen weichen.

Massenspeicher: Zur nichtflüchtigen Ablage von Daten kommen vermehrt Solid State Disks zum Einsatz. Trotz sinkender Kosten per GB, gilt es, die nötige Speicherkapazität möglichst effizient zu implementieren. Hierbei ist neben den Kosten die Zuverlässigkeit der einzelnen SSD genauso wichtig wie die Ausfallsicherheit auf Systemebene (RAID). Auf der SSD-Ebene haben, neben der eingesetzten Flash-Technik, in Firmware umgesetzte Parameter wie das Overprovisioning, die Fehlererkennung und -korrektur sowie der Wear-Levelling-Algorithmus wesentlichen Einfluss. Schließlich sind die SSDs über eine performante Schnittstelle an die CPU anzubinden. PCI-Express verdrängt hier zusehends die SATA-Schnittstelle (Bild 1).

I/O-Bandbreite: Nicht nur für die Anbindung von Massenspeichern und Beschleunigern müssen ausreichend Schnittstellen bereitstehen, sondern ebenso zu Sensoren, Ausgabegeräten und zur Kommunikation mit der Außenwelt. Auf Systemebene ist ein gutes Verständnis der CPU/Chipsatz-Plattform nötig, um Engpässe zu vermeiden: Häufig bieten Chipsätze und SoCs mehr Konnektivität als tatsächliche Bandbreite, da alle Daten über gemeinsame On-Chip- beziehungsweise Inter-Chip-Busse geroutet werden. Teilen sich zudem sehr langsame und schnelle Peripherieeinheiten die Kommunikationswege auf dem Silizium, können unter Umständen neben der durchschnittlichen Bandbreitenlimitierung noch Datenverluste auftreten, wenn langsame Teilnehmer den Bus sehr lange blockieren und dabei die Datenpuffer der anderen Schnittstellen überlaufen. Speziell für Serveranwendungen konzipierte Prozessoren und SoCs bieten daher eine Vielzahl an PCI-Express-Schnittstellen mit direkter Anbindung an die High Speed Fabric des Siliziums an.

Optimieren für die Einsatzbedingungen: Die optimierte Systemarchitektur ist zu guter Letzt in ein Systemdesign umzusetzen, das den Anforderungen genügt. Hierzu zählen einerseits die anzuwendenden Regularien und Umweltbedingungen. Andererseits sind Schutzklassen, Störfestigkeit, Betriebssicherheit, Schock, Vibration häufig genauso von Bedeutung wie Temperaturbereich oder Geräuschentwicklung. Die verschiedenen Anforderungen gilt es unter einen Hut zu bekommen. Nicht selten bedarf es hierzu einer spezifischen Gehäusekonstruktion oder einer Optimierung der Kühllösung bis hinunter auf Komponentenebene (zum Beispiel: SSDs). Zusätzlich kommen applikationsspezifische Kriterien wie die Ausfallsicherheit oder die unmittelbare Einsatzbereitschaft nach einem Neustart zum Tragen, die ein Anpassen der Systemsoftware und –firmware nötig machen.

Wirtschaftliche Umsetzung auf Basis bestehender Komponenten

Um komplexe Produkte auf Basis dieser Anforderungen effizient zu kundenspezifischen Anwendungen zu entwickeln, ist es unabdingbar, auf vorhandenes Know-how und Bausteine zurückzugreifen – zu aufwendig, zu risikobehaftet und langwierig wäre das Entwickeln ohne ein solche Grundlage als Startpunkt. Im Gegensatz zur einfachen Systemintegration ist es jedoch nicht ausreichend, bestehende Standardprodukte zu kombinieren. Auf Grund der spezifischen Anforderungen müssen Entwickler kritische Elemente neu entwickeln oder anpassen. Häufig werden die Systemeigenschaften erst mit der Kombination mehrerer Maßnahmen erfüllt. So kann zum Beispiel zum Erreichen des geforderten Betriebstemperaturbereichs neben einem speziellen Gehäusedesign ein Anpassen der Kühlung der CPU und der SSDs, eine geänderte Regelung für die Lüfter und Anpassen der SSD Firmware nötig sein. Daher ist es von großem Vorteil, wenn der Systementwickler den vollen Zugriff auf die zugrundeliegenden, kritischen Technologien und Komponenten hat.

Als strategischer Partner aller führenden Siliziumhersteller für Prozessoren und SoCs, bringt Advantech ein breites Portfolio von Standardprodukten mit ein. Jegliche Formfaktoren als Board, Modul oder System mit und ohne Display sind verfügbar. Das Portfolio an Computing-Anwendungen schließt Standardprozessoren sowie spezialisierte SoCs und Serverprozessoren ein. Ein Fundus an Intellectual Property, der es Advantech erlaubt, den optimalen Startpunkt für das jeweilige System Design individuell zu bestimmen – so können Firmen Entwicklungszeiten deutlich verkürzen und so ebenfalls die Kosten optimieren, zudem bleiben Risiken überschaubar. Im Gegensatz zur klassischen Auftragsfertigung – und im Vergleich mit »typischen« Embedded-Anbietern und Designhäusern profitieren Kunden hierbei von einer neutralen Beratung bei der Auswahl der CPU-Plattform und -Architektur (Bild 2).

Produkte Advantech
Bild 2: Advantech bringt ein breites Portfolio an Standardprodukten mit ein.
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Doch auch wenn es um zusätzliche Komponenten geht, kann Advantech aus dem Vollen schöpfen: Im Unternehmen entwickelte Speichermodule, SSDs und Beschleunigermodule, die für industrielle Anwendungen optimiert sind, erlauben vollen Zugriff auf alle Stellschrauben, die für ein optimiertes Systemdesign erforderlich sind. Unter anderem wird das BIOS der eingesetzten Rechnerplattform tiefgreifend optimiert um die Bootzeit zu optimieren und die geforderte Systemverfügbarkeit nach Neustart zu gewährleisten. Standard-BIOS-Anwendungen geraten hier schnell an unüberwindbare Grenzen angesichts der hohen Hauptspeicherkapazitäten und vielen Peripheriekomponenten, die es zu initialisieren gilt.

Das Konzept der eigenentwickelten Komponenten bringt noch einen weiteren Vorteil: letztlich muss sich ein Produkt im kompletten industriellen Lebenszyklus bewähren. Mithilfe der Kontrolle über den Lebenszyklus der Komponenten und der Möglichkeit der vollumfänglichen Qualitätssicherung, kann Advantech das Projekt über die gesamte Lebensdauer begleiten.


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