Modernes Embedded-Design
Nachhaltig über den ganzen Lebenszyklus
Unsere Gesellschaft steht vor einem Wandel. Hierbei helfen Schlüsseltechnologien wie Digitalisierung und KI, die Geräte für eine grüne, nachhaltige und lebenswerte Zukunft ermöglichen. Im Inneren der Applikationen arbeiten Embedded-Systeme, die sich mehr und mehr nachhaltig gestalten lassen.
Daten und übermitteln sie als Teil der Telekommunikations- und 5G-Infrastruktur. Sie kommen in sämtlichen Industrien und Anwendungsbereichen zum Einsatz und sind ein Treiber für Zukunftstechnologien und Nachhaltigkeit. Mit immer höherer Performance bei gleichzeitig kompaktem Design ermöglichen sie autonome mobile Robotik, neue Verfahren für Diagnose und Therapie in der Medizintechnik oder Anwendungen in der Automation. All diese Applikationen helfen dabei, Prozesse und Steuerungen zu optimieren und Ressourcen einzusparen. So verbessern sie gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit und die Effizienz der Produkte und können unsere gesellschaftlichen Herausforderungen lösen.
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Kurze Entwicklungszyklen führen zu Elektronikschrott
Der rasante technische Fortschritt, immer leistungsstärkere Prozessoren sowie spezielle Verarbeitungseinheiten wie General Purpose Graphics Processing Units (GPGPUs) und Neural Processing Units (NPUs) einerseits, die immer höheren Anforderungen an die Datenverarbeitung von vernetzten, IIoT-fähigen Geräten mit künstlicher Intelligenz (KI) andererseits, sind jedoch für immer kürzere Entwicklungszyklen verantwortlich.
Und die Unternehmen müssen mit der hohen Innovationsrate Schritt halten, um ihre Marktposition zu behaupten, Trends zu setzen und neue Geschäftsmodelle zu entwickeln. Das erfordert regelmäßige Investitionen in neue Systeme. Dieser Trend war bereits in den vergangenen Jahren zu erkennen und soll nach Meinung von Experten weiter anhalten: So erwartet das Datenforschungsinstitut International Data Corporation (IDC) in einer Studie zum weltweiten Server-Markt eine Steigerung des Umsatzes im kommenden Jahr von fast 12 Prozent gegenüber dem aktuellen Jahr.
Modulare Computer- und Server-on-Modules als Ausweg
Modernisiert beispielsweise ein Unternehmen sein Rechenzentrum durch den Austausch der gesamten Rack-Systeme, entstehen Unmengen an Elektronikschrott – und damit das Gegenteil von Nachhaltigkeit und einem effizienten Umgang mit Ressourcen. Die gute Nachricht: Das muss nicht sein. Modulare Designs auf Basis von Computer-on-Modules (CoMs) und Server-on-Modules bieten eine günstige und attraktive Alternative zum Komplettaustausch.
Die Plattformen ermöglichen das Upgrade bestehender Hardware mit neuesten Prozessoren, während man alle anderen Komponenten wie Carrierboard, Netzteil und Gehäuse weiterverwenden kann. Einerseits reduziert das die Menge an Komponenten, die auszutauschen und zumeist zu entsorgen oder aufwendig zu recyceln sind, andererseits sparen Endkunden damit bares Geld: Nach Angaben des Serverherstellers Christmann können Unternehmen beim Aufrüsten von Edge-Servern mit standardisierten Server-on-Modules gegenüber einem Austausch der kompletten Server bis zu 50 Prozent der Kosten sparen.
Mehr Rechenleistung – weniger Energiebedarf
Dieselben Argumente, wie sie für Server gelten, lassen sich ebenfalls in andere Applikationsbereiche überführen. So profitieren Roboter, Medizingeräte sowie Industrieapplikationen bei einem Upgrade der Module von mehr Performance und neuen Technologien. Zum Beispiel beim Verarbeiten komplexer KI-Algorithmen. Auch hier sind modular aufgebaute Systeme im Vorteil, geht es um ein Upgrade auf neue Technologien und Leistungsbereiche. Ist lediglich das CoM zu tauschen, ist das effizienter als ein Komplettaustausch.
Im Zuge der zunehmenden Energiekosten und dem Einsatz von mobilen Systemen ist ebenfalls der reduzierte Energiebedarf neuer Prozessoren und Module ein wichtiges Argument für Upgrades. Bei Festinstallationen im 24/7-Dauerbetrieb ist ein sparsamer Umgang mit Ressourcen und Energie ein wichtiges Argument. Außerdem steigert es die Verfügbarkeit von mobilen Applikationen wie autonomen mobilen Robotern und fahrerlosen Transportsystemen, wenn sich Ladezeit und -zyklen reduzieren lassen.
Vorteile für neue Geschäftsmodelle
Ein modulares Design und das Modernisieren über Modul-Upgrades rechnen sich ebenso für Pay-per-Use- und As-a-Service-Provider. Sie können mit geringeren Investitionen moderne Hardwareplattformen mit hoher Performance anbieten und sichern sich und ihren Kunden so einen Wettbewerbsvorteil. Gleichzeitig reduzieren sie die Total Cost of Ownership der Hardware und maximieren ihren Return on Investment.
Das macht die Subscription-Ökonomie für Anbieter sowie Kunden lukrativ. Nutzen in der Folge Unternehmen beispielsweise Server-Installationen mit neuester Hardware optimal und maximal aus, ist das wiederum nachhaltig aufgrund des sinnvollen Einsatzes von Ressourcen.
Längere Lebenszyklen in der Industrie
Besonders bedeutend ist der Einsatz modularer Designs in der Industrie: Dort spielt die Langlebigkeit der Applikation häufig eine zentrale Rolle – insbesondere, wenn ein Embedded-System speziell für einen Anwendungsfall entwickelt oder angepasst wurde. Ein abgekündigter, nicht mehr am Markt verfügbarer Prozessor kann dann im schlimmsten Fall die komplette Neuentwicklung oder ein aufwendiges Re-Design der gesamten Applikation erfordern.
Basieren solche Designs allerdings auf modularen Konzepten aus applikationsspezifischen Carrierboards und standardisierten CoMs, lassen sich ebenfalls jahrzehntealte Applikationen und Designs mit neuen Prozessoren nachrüsten. Bewährte, aber technisch überholte Applikationen lassen sich so stets auf dem aktuellen Stand der Technik halten. Zudem können sie aufgrund der höheren Rechenleistung der neuen Prozessoren neue Features anbieten. Das gilt insbesondere, da sich mittlerweile ein Großteil der Funktionen über Software definiert. Im Ergebnis verlängert das Modul-Upgrade den Lebenszyklus der gesamten Applikation und trägt so ebenfalls zu einem Plus an Umweltfreundlichkeit und Nachhaltigkeit bei.
COM-HPC als Standard für modulares Elektronikdesign
Die Theorie zeigt: modulare Elektroniken bringen ein großes Potenzial für mehr Leistung und Energieeffizienz mit sich, gleichzeitig sind sie nachhaltig, austauschbar und Upgrade-fähig. Ein konkretes Praxisbeispiel für derartige skalierbare Designs sind die COM-HPC Computer-on-Modules von Congatec. Sie wurden speziell sowohl für Client- als auch Edge-Server-Applikationen mit hohen Anforderungen an die Bandbreite und die Leistung entwickelt. Diese wurden von den bestehenden Spezifikationen für CoMs bisher nicht erfüllt. Um diese Eigenschaften zu erreichen, sind die Module mit einer großen Auswahl an Prozessoren verfügbar.
Generell unterstützen COM-HPC-Module reine GPGPU- und KI-Einheiten, ASICs und FPGAs. Hiermit sind sie flexibel, skalierbar und Upgrade-fähig. Besonders hervorzuheben ist die hohe Bandbreite und Übertragungsgeschwindigkeit der I/Os. Hierzu zählen unter anderem PCIe Gen5, USB 4 bzw. Thunderbolt 4 sowie 100-Gigabit-Ethernet.
Der COM-HPC-Standard wurde von der PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) speziell für Embedded-Edge-Applikationen konzipiert – Congatec war hierbei Mit-Initiator innerhalb der PICMG. Der Modulstandard ist in mehreren Formfaktoren verfügbar. Vom kommenden COM-HPC-Mini-Standard mit einem Footprint von 95 mm x 70 mm über COM-HPC Client mit drei verschiedenen PCB-Größen und seinen bis zu 49 PCIe-Lanes bis hin zum Standard COM-HPC Server mit den beiden Footprints D (160 mm x 160 mm) und E (160 mm x 200 mm).
Server-Eigenschaften im Embedded-Design
COM-HPC Server ist dabei der erste Standard, der von Anfang an speziell für die Anforderungen von Edge-Servern entwickelt wurde. COM-HPC-Server-Module verbinden eine hohe Rechenleistung, bis zu 64 PCIe-Lanes und eine hohe Ethernet-Bandbreite mit den Vorteilen robuster Embedded-Designs. Die Embedded-Server lassen sich somit nahe an der Applikation installieren – ohne die Einschränkungen herkömmlicher Server an Umgebungstemperaturen und Einsatzbedingungen oder die Bindung an klimatisierte Server-Räume. Hiermit eignen sie sich für Edge-Applikationen mit großem Leistungsbedarf, hohen Datenströmen und Anforderungen an schnelle Verarbeitung mit geringer Latenz. Hierzu trägt ebenfalls der Speicherplatz eines Terabyte-SDRAM-Speichers bei. Systeme auf Basis der COM-HPC-Server-Module eignen sich ferner für Edge-Datenverarbeitungen in autonomen Fahrzeugen und kollaborativen Robotern, in smarten Infrastrukturen sowie in Applikationen der Fabrikautomation.
Produktserien, Upgrades und Wege zu nachhaltigem Design
Als ein Beispiel für das Verwenden der skalierbaren Modulfamilie integriert die Firma Christmann COM-HPC-Module in ihre »t.RECS« Serversysteme. Je nach ausgewähltem Modul lassen sich die Server an verschiedene Anforderungen anpassen und Produktserien mit skalierbarer Funktion realisieren. Steigt der Leistungsbedarf der Server oder möchte Christmann die Features neuer Prozessoren optimal ausnutzen, kann das Unternehmen die CoMs einfach austauschen und so sie Servertechnik modernisieren.
So liefern die Edge-Server beispielsweise die nötige hohe Rechenleistung für KI-Applikationen und andere zukünftige Applikationen, die unser Leben nachhaltiger gestalten. Zudem sind sie selbst nachhaltig designt bei einem optimalen Einsatz an Ressourcen.
Diesen Weg gilt es in Zukunft weiter zu verfolgen und zusätzliche Potenziale für eine noch größere Nachhaltigkeit zu identifizieren und zu nutzen. Beispielsweise mit neuen, umweltfreundlicheren Materialien und additiven Technologien in der PCB-Fertigung. Außerdem mit kürzeren Lieferketten, einem besseren Recycling von Elektroniken und dem Reduzieren von Elektronikschrott. All das sind Themen an denen Congatec bei seinen eigenen Angeboten konstant arbeitet.
Der Autor
Zeljko Loncaric ist Segment Manager Infrastruktur bei Congatec.
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