Extras werden Standard

Mit Tiger Lake CPUs zu höherer Performance

14. November 2022, 6:00 Uhr | von Peter Müller
Lichtkreis
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Die Digitalisierung führt zu einem stetig steigenden Bedarf an Verarbeitungs­- leistung. Kontron stattet Single-Board-Computer, Computer-on-Modules sowie Industrie-PCs mit Intel-Core-i-Prozessoren der 11. Generation aus. So kombiniert Kontron bisher nicht verfügbare Leistung mit Zusatzfunktionen.

Seit der Zug in Richtung industrielles Internet der Dinge (IIoT) und Indus­trie 4.0 Fahrt aufgenommen hat, müssen Prozessorboards oder -module exponentiell wachsende Datenmengen handhaben und verarbeiten können. Der Bedarf an Rechenleistung sowie Übertragungs- und Speicherbandbreite steigt rapide an. Hierzu tragen ebenfalls immer anspruchsvollere Bildverarbeitungsaufgaben und Anwendungen der künstlichen Intelligenz (KI) bei.

Als Hersteller von innovativen und skalierbaren Produkten für Embedded
Computing beziehungsweise IIoT entwickelt Kontron seine Produkte auf Basis der jeweils aktuellen Halbleitertechnologie kontinuierlich weiter. Die enge Partnerschaft mit Prozessorherstellern wie Intel ermöglicht dem deutschen Hersteller, die Technologien bereits sehr früh in Single-Board-Computer (SBCs), Computer-on-Modules (CoMs) und Industrie-PCs (IPCs) zu integrieren. So stehen bereits kurz nach Verfügbarkeit des Siliziums einsatzbereite Produkte bereit – und das in industrietauglichen Ausführungen.

Entwicklungssprung der Prozessorarchitektur

Bereits voll verfügbar sind die Produkte auf Basis der Intel-Core-i-Prozessoren der 11. Generation. Zur Einstufung: Neben Low-end-Prozessoren, wie der Atom-Serie, und Server-Prozessoren der Xeon-Reihe bilden diese als Mittelklasse einen Hauptschwerpunkt im Portfolio des US-An­bieters. Sie sind in einer Vielfalt an Skalierungen erhältlich. Zudem sind sie einer Weiterentwicklung unterworfen, die teilweise ebenfalls in Technologieschritten erfolgt.

Ein solcher ist die Umstellung auf die sogenannte Tiger-Lake-Mikroarchitektur. Ende 2020 erstmals angekündigt, nutzt sie einen neuen Herstellungsprozess mit 10 nm statt bisher 14 nm Strukturbreite. Hierdurch sind die Prozessoren ihren Vorgängerprodukten sowohl hinsichtlich der möglichen Taktfrequenzen (bis 4,8 GHz) als auch bezüglich der Energieeffizienz deutlich überlegen.

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Zwei Performance-Stufen

Intel bietet die Core-Prozessoren in zahlreichen Varianten an. Wie bereits bei einigen Vorgängertypen kennzeichnen die Buchstaben U beziehungsweise H die Haupttypen. Tiger Lake U ist ein Single-Chip, während bei Tiger Lake H zwei getrennte Chips in einem Gehäuse arbeiten. Der separat erhältliche PCH-Chip stellt als Hub zusätzlich zu den 20 PCIe-4.0-Lanes 30 programmierbare Hochgeschwindigkeits-I/O-Lanes bereit. So bietet Tiger Lake H mehrere schnelle SSD- und USB-Schnittstellen, ebenso 2,5 Gb (statt bisher 1 Gb) Ethernet sowie WiFi 6E Gigabit WLAN.

Anders als bei früheren Architekturen ist die Thermal Design Power (TDP), auf deren Grundlage Kühlung und Stromzufuhr ausgelegt sind, innerhalb bestimmter Bereiche einstellbar. Sie beträgt 15 bis 25 W bei Tiger Lake U und 25 bis 45 W bei den leistungs­fähigeren Tiger-Lake-H-Prozessoren. Sie wurden von Intel bei ihrer Präsentation als schnellste Notebook-Prozessoren der Welt bezeichnet.

Echtzeitfähigkeit im Standard

Für die Eignung von Computerhardware in industriellen Anwendungen sind die reine Datenverarbeitungsleistung und die Übertragungsbandbreite auf den Netzwerkleitungen nicht die einzigen Kriterien. Speziell im Maschinenbau geht es oft um das Synchronisieren miteinander verbundener und voneinander abhängiger schneller Prozesse. Dort ist es wesentlich, die Datenübertragungohne zu große Latenzen zu organisieren, also in Echtzeit. Ebenso wichtig ist, dass das Eintreffen der übertragenen Daten stets berechenbar, also deterministisch bleibt. Hier bietet die 11. Generation im Standard sowohl Intel Time Coordinated Computing (Intel TCC) als auch Time Sensitive Networking (TSN). Hiermit erweitert der Halbleiterhersteller Ethernet um Echtzeitfähigkeit und ermöglicht das Verschmelzen der bisher getrennten Netzwerke für IT und OT ohne Zusatzkosten.

COM Express Basic
Im Formfaktor COM Express Basic arbeiten Intel-Core-i-Prozessoren der 11. Generation mit bis zu acht Prozessor­kernen mit hoher Bandbreite.
© Kontron

Industrietauglich? Mit Sicherheit!

Sehr wichtig ist in industriellen Applikationen, vor allem im Maschinen- und Anlagenbau, die funktionale Sicherheit oder Industrial Safety. Hierunter versteht man den Schutz von Personen vor Verletzungen und von Maschinen vor Beschädigungen. Diesem Schutz dienen sicherheitsgerichtete Schaltungen oder Steuerungen. Sie reagieren auf Schutzverletzungen, etwa durch das Öffnen einer Abdeckung, indem sie
die Maschine in einen sicheren Be­­triebsmodus bringen, etwa per Nothalt. Immer komplexere Maschinen bedingen immer komplexere Sicherheitsvorkehrungen und differenzierte sichere Reaktionen.

Die aktuellen Intel-Prozessoren sind besonders für den Aufbau sicherheitsgerichteter programmierbarer Steuerungen geeignet. So kann nicht nur ein dedizierter Prozessorkern für sicherheitsgerichtete Applikationen reserviert werden. Das »Functional Safety Essential Design Package« (Intel FSEDP) stellt Kunden die technische Dokumentation für das Entwickeln und Zertifizieren sicherheitskritischer Plattformen nach den Normen für funktionale Sicherheit bereit.

Breite Skalierbarkeit mit COM Express

Mit der 11. Prozessorgeneration, PCIe 3.0 und einem TSN-fähigen Ethernet Controller dringt das COM-Express-Compact-Modul von Kontron in eine neue Performance-Klasse vor, jedoch ohne die Leistungsaufnahme über Gebühr zu steigern. Hierzu ist es mit einem Single-Chip-Prozessor Tiger Lake U mit zwei oder vier Rechnerkernen bestückt. Bereits diese CPUs verfügen über einen Befehlssatz für die vektorisierten neuronalen Netze der KI.

Im Formfaktor COM Express Basic eignen sich diese Prozessoren mit bis zu acht Rechenkernen vor allem für High-End-Anwendungen mit hoher Bandbreite. Hierbei handelt es sich um den Zweichip-Prozessor Tiger Lake H. Die CPUs werden durch Intels Iris-Xe-Graphik und Deep Learning Boost für eine hohe KI-Performance und integrierte TSN- und TCC-Funktion unterstützt.

3.5“-SBC-TGL
Der Single Board Computer »3.5“-SBC-TGL« basiert auf Core-i-Pro­zessoren der 11. Generation U-Serie und Celeron-6000-Serie.
© Kontron

Tiger Lake Performance auf 3,5 Zoll

Der »3.5“-SBC-TGL« ist ein 3.5“-Single-Board-Computer, der auf der U-Serie der Core CPUs sowie der Celeron-6000-Serie beruht. Bei Kontron nennt sich das »Tiger Lake UP3«. Er ist zusätzlich mit einer Iris-Xe-Graphikeinheit der nächsten Generation ausgestattet. Die hiermit erzielte Prozessor-, Grafik- sowie KI-Leistung prädestiniert ihn für verarbeitungsintensive Applikationen, zum Beispiel im Bereich Deep Learning, einem Teilbereich der KI.

Interessant für industrielle Applikationen macht ihn seine Eignung für Computer Vision und das deterministische Rechnen mit geringer Latenz. Hierzu unterstützt das Board 8K-Videostreaming mit 60 Bildern pro Sekunde (fps). Mithilfe der B2B-Schnittstelle lassen sich gleichzeitig vier unabhängige Displays via DP mit einer Auflösung von 4K mit 60 fps ansteuern. Außerdem lässt sich die TDP im BIOS konfigurieren. Somit lassen sich Systeme schaffen, die Kontron hinsichtlich des Kühlbedarfs an die individuellen Nutzerprofile der Kunden einstellen kann.

Sowohl die COM-Express-Module als auch das 3.5“-SBC-TGL sind in Varianten mit dem erweiterten, industrie­tauglichen Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C verfügbar.

KBox C-104-TGL
Die Industriecomputer der Serie »KBox C-104-TGL« verbessern mit integrierter TSN- und Intel-TCC-Funktion den Determinismus in Echtzeitanwendungen für Industrie 4.0.
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Tiger Lake in Box-PCs

Ausschließlich in der Zweichip-Ausführung Tiger Lake H verbaut Kontron die Prozessoren in der neuen Generation seiner industriellen Embedded-Box-PCs. Sie sind mit Core i3, i5 und i7 CPUs mit bis zu acht Rechenkernen ausgestattet. Hiermit eignet sich die »KBox C-104-TGL«-Familie mit inte­grierter TSN- und TCC-Funktion für anspruchsvolle Edge Workloads und High-End-Applikationen hoher Bandbreite.

Für besonders datenintensive IoT-Edge- und KI-Applika­tionen hat Kontron auf Basis derselben Prozessoren den In­dustrie-PC »KBox A-151-TGL« entwickelt. Er verfügt über einen Erweiterungsslot an der Front (I/O Door), über den er um zusätzliche Funktionen, beispielsweise Feldbusse, Schnittstellen wie Grafik, serielle oder digitale I/Os sowie Ethernet-Schnittstellen erweiterbar ist. Optional lässt sich das System zudem um 4G/5G- oder auch WiFi-6-Konnektivität ergänzen.

KBox A-151-TGL
Der Industrie-PC »KBox A-151-TGL« bietet ausreichend Rechenperformance für IoT-Edge- oder KI-Anwendungen und lässt sich mit 4G/5G oder WiFi 6 ergänzen.
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Für alle Einsatzszenarien

Die KBox-C-104-TGL-Familie ist für den Einsatz in Schaltschränken im Automatisierungsumfeld konzipiert. Das wartungsfreie System ermöglicht einen lüfterlosen Betrieb bis +65 °C. Hingegen ist die passiv gekühlte »KBox A-151-TGL« für Einsätze in rauen Umgebungen geeignet. Sie ist neben der Standardausführung ebenso im erweiterten Temperaturbereich zwischen -40 °C und +65 °C erhältlich. Zudem lässt sie sich mittels Hutschienenmontage oder Wandbefestigung unkompliziert in Industrieumgebungen integrieren.

Für KI-Aufgaben sind die Geräte optional mit einem zusätzlich integriertem Hailo-8-KI-Beschleuniger verfügbar. Der Chip ist mit 3 TOPS/W (Tera Operations per Second) sehr energieeffizient und aufrund seines integrierten Speichers sehr schnell. Er erreicht eine Inferenzleistung von 26 TOPS.

Als Baustein für das einfache Implementieren von Industrial Safety bietet Kontron mit der Erweiterungskarte M.2 FuSa eine 22 mm x 42 mm große, vollwertige Sicherheitssteuerung zur Integration in unterschiedliche Host-Systeme an. Das erweitert den Verwendungsbereich der Kontron-Com­puterhardware mit Prozessoren der 11. Generation und ermöglicht Herstellern von Automatisierungssystemen das Schaffen sicherer Gesamtlösungen mit reduziertem Aufwand. Ebenso wichtig wie technische Eignungsmerkmale ist für Industrieanwender die langfristige Verfügbarkeit
der Hardware. Diese garantieren sowohl Intel als Prozessorhersteller als auch Kontron.

Der Autor

Kontron
Peter Müller ist Vice President Product Center Modules bei Kontron.
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Peter Müller besitzt einen Abschluss in Elektrotechnik sowie einen Master of Business Administration. Er ist seit beinahe 20 Jahren bei Kontron in verschiedenen Positionen im Hardware-Engineering, Customer Program Management und Product Management für die Produkt­linie Computer-on-Modules tätig. Seit 2017 ist Müller Vice President Product Center Modules bei Kontron.
Peter.Mueller@kontron.com


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