Veränderung: eine Konstante bei Embedded
Technische Trends beim Embedded Computing
Die Embedded-Computing-Technologie unterliegt derzeit einem tiefgreifenden Wandel, bedingt vor allem durch leistungsfähigere und vielseitigere Hochleistungs-SoCs und die Durchsetzung von Edge-KI. Doch welche Trends werden die kommenden Jahre bestimmen?
Wir stehen am Beginn des Jahres 2025, das heißt: Die Zwanzigerjahre des 21. Jahrhunderts sind fast zur Hälfte vorbei. Noch vor fünf Jahren hätten nur wenige Menschen einschneidende Ereignisse wie eine Jahrhundertpandemie, zunehmende Konflikte, die Allgegenwart und grenzenlosen Einsatzmöglichkeiten künstlicher Intelligenz (KI) sowie die Kommerzialisierung des Weltraums vorhergesagt. Diese und andere Umwälzungen zeigen, dass der stetige Wandel eine Konstante ist.
Das Gleiche gilt, wenn auch in geringerem Maße, für das Embedded-Computing-Ecosystem. Welche Trends werden Embedded Computing in der zweiten Hälfte der 2020er-Jahre wohl prägen?
Zum einen kommt KI zum Intelligent Edge hinzu. Highspeed-Connectivity und eine wachsende Zahl eingebetteter KI-Beschleunigeroptionen sind wesentliche Voraussetzungen. Zum anderen benötigen Hochleistungs-CPUs, XPUs, ASICs, SoCs und FPGAs, genau wie Rechenzentren, immer mehr Strom. Wie wird es Technikern gelingen, die benötigte Leistung an Carrier und SoMs zu liefern? Zu guter Letzt haben Industriestandards schon immer das moderne Embedded Computing beeinflusst. Welche Rolle werden sie, wenn überhaupt, im zweiten Teil dieses Jahrzehnts weiterhin spielen?
KI im Intelligent Edge – wie real ist dies?
»Intelligent Edge« bezieht sich auf die Hardware-Ausstattung »am Rand« des Kommunikationsnetzwerks mit erhöhten Rechenkapazitäten, die eine lokale Datenanalyse ermöglichen, statt die Daten in die Cloud hochzuladen. Diese Intelligent-Edge-Geräte eignen sich gut für Schlussfolgerungen und Analysen und werden häufig in Situationen eingesetzt, in denen Sicherheits-/Datenschutzanforderungen und Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Internetverbindung sehr wichtig sind.
Rechenintensive Aufgaben werden weiterhin in Rechenzentren oder Supercomputern ausgeführt. Sobald ein Modell erstellt wurde, lässt es sich nun jedoch möglicherweise in einem Edge-Gerät ausführen, das mit einem Multicore-CPU-, GPU-, FPGA- oder ASIC-Baustein ausgestattet ist. Noch vor wenigen Jahren, im Jahr 2021, wurden nur 10 Prozent der Daten für Machine Learning zum Zeitpunkt der Erfassung (am »Edge«) analysiert, während bis 2025 voraussichtlich 55 Prozent der Daten für Machine Learning zum Zeitpunkt der Erfassung analysiert werden [1]. Mit dem Vormarsch von Intelligent Edge wird die Embedded-Computing-Hardware höhere Geschwindigkeiten und geringere Leistungsdichten erfordern.
Zu den Vorteilen von KI am Edge gehören eine erhöhte Sicherheit (es müssen keine Rohdaten über das Internet gesendet werden) und Zuverlässigkeit (unterbrechungsfreier Betrieb auch bei Netzwerkausfällen) sowie eine geringere Netzwerklatenz, eine geringere Nutzung der Netzwerkbandbreite und ein geringerer Energieverbrauch. Der Nachteil besteht darin, dass keine extrem komplexen Modelle ausgeführt oder gewartet/aktualisiert werden können.
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Die Integration von KI in Edge-Geräten erfordert Highspeed-Connectivity zur Unterstützung von KI-Beschleunigern. Viele dieser Systeme benötigen eine höhere Geschwindigkeit und Dichte auf sehr kleinem Raum, besonders in Bereichen wie dem Internet of Things und der Robotik. Die hochdichten, leistungsstarken Steckverbinder von Samtec mit kleinem Formfaktor eignen sich ideal für das Routing von System-E/A und Peripheriegeräten innerhalb dieser Architekturen [2].
Verbesserte Stromversorgung für Embedded-Computing-Anwendungen
Mit zunehmender Diversifizierung von Compute Engines benötigen eingebettete Hochleistungs-CPUs, XPUs, ASICs, SoCs und FPGAs mehr Leistung, um Analysen und Schlussfolgerungen durchzuführen. Im Gegensatz zu älteren Generationen von Edge-Hardware müssen diese Embedded-Plattformen den zusätzlichen Strombedarf decken, der bis zu mehreren Hundert Watt pro Chip betragen kann. Wie lässt sich all diese Leistung von der Stromquelle zum Carrier und zum System-on-Module (SoM) leiten?
Die Schnittstelle zwischen SoMs und Trägerkarten bilden meist schnelle und leistungsstarke Mezzanine-Steckverbinder von Unternehmen wie Samtec. Open-Pin-Field-Arrays bieten den Vorteil, dass jeder einzelne Kontakt differentielle Paare, Single-Ended-Signale oder die Stromversorgung unterstützen kann.
Viele Open-Pin-Field-Arrays haben eine hohe Strombelastbarkeit (CCC) von ~1,5 A oder höher pro Pin. Beispielsweise könnte ein Embedded-KI-Design 3,3 V/10 A erfordern. Im Fall von Derating können Entwickler acht Pins für VCC und acht Pins für GND auswählen. Mit steigendem Strombedarf lässt sich die Anzahl der Pins für die Stromversorgung im Steckverbinder erhöhen.
Eine weitere Option für die Übertragung hoher Ströme ist die Verwendung von Multifunktions-Steckverbindern. Ein gutes Beispiel dafür sind die neuen High-Density, Highspeed Signal/Power Arrays »AcceleRate mP« von Samtec, die digitale Signale und die Stromversorgung unterstützen. Die neue Lösung verfügt über gedrehte Messerleisten für eine erhöhte Stromabgabe und einen vereinfachten Breakout-Bereich (BOR).
Die Messerleisten sind im Isolator um 90° gedreht. Dies ermöglicht einen bis zu 20 Prozent höheren Strom gegenüber vergleichbaren Stromversorgungen mit Messerleisten sowie einen einfacheren und besseren Stromfluss vom Board zum Steckverbinder. Im Wesentlichen maximiert der BOR dieses Steckverbinders die Strombelastbarkeit und minimiert den Leitungswiderstand bei gleichem Formfaktor. Dies reduziert zudem das Current Crowding.
Bei herkömmlichen Steckverbindern befinden sich die Messerleisten in einer Linie zur Breite des Isolators. Diese Ausführung erhöht die Wärme der benachbarten Messer und behindert die Kühlung. Bei allen inneren Messern kann die Wärme nur vertikal oder seitlich entweichen, was zu Current Crowding führt.
Die Messerleisten im »AcceleRate mP« entsprechen der Länge des Isolators, sodass die Wärme an der breiten Seite des Steckverbinders entweichen kann. Alle Messer haben den gleichen Zugang zur Wärmeabfuhr. Diese einheitliche Kühlung ermöglicht eine Steigerung der Strombelastbarkeit um 15 Prozent oder mehr.
Industriestandards führen zu offenen System-SoM/CoMs
Im Jahr 2025 liegt der Schwerpunkt von vielen Embedded-Computing-Anwendungen weiterhin auf System-on-Modules (SoMs) und/oder Computer-on-Modules (CoMs). SoMs/CoMs bieten eine Plattform vom Prototyp bis zur Produktion, die meist drei Hauptmerkmale aufweist:
- ein standardisiertes SoM/CoM mit Prozessor(en), Speicher, Stromversorgung, E/A und anderer Core-Logik
- konfigurierbare Carrierplatinen/-karten, die eine Vielzahl anwendungsspezifischer Anforderungen erfüllen
- eine elektromechanische Schnittstelle zwischen SoM/CoM und Carrierplatine
Aktuelle Embedded-Computing-Anwendungen verwenden verschiedene gängige SoM/CoM-Formfaktoren nach Industriestandard. Jede Anwendung nutzt eine bestimmte Compute Engine und ist speziell auf bestimmte Anwendungsfälle ausgerichtet.
Für leistungsstarke, kostengünstige Anwendungen mit geringem Stromverbrauch (meist <6 W) bietet die SMARC-Architektur (Smart Mobility ARChitecture) der SGET (Standardization Group for Embedded Technologies) kleine, vielseitige Formfaktoren. SMARC-Module beruhen meist auf leistungsstarken ARM-SoCs, tablet-orientierten x86-Geräten oder RISC-CPUs.
Dünne, flache Mobil- oder IoT-Anwendungen erfordern noch kleinere Lösungen. Die Qseven-CoMs (SGET) kombinieren stromsparende Prozessoren mit integriertem Speicher und anderer Core-Logik. Die Qseven-CoMs übertragen die gesamte Stromversorgung, E/A und Signalisierung über einen einzelnen Edge-Card-Steckverbinder mit standardisierter Pinbelegung an eine Carrierplatine.
Andere Embedded-Formfaktoren verzichten komplett auf den Steckverbinder. Beispielsweise verwenden die OSMs (Open Standard Modules, SGET) die »Solder-on-Module«-Technologie mit lötbaren BGA-Minimodulen. Dieser Ansatz ermöglicht die kleinsten verfügbaren Industriestandard-SoMs/CoMs, die auf MCU32-, ARM- und x86-Architekturen abzielen.
Trotz all dieser Optionen bleibt das Arbeitspferd des Embedded Computing die COM-Express-Familie der PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) – modulare CoMs mit kleinem Formfaktor. Die COM-Express-Familie zielt mit acht verschiedenen CoM-Typen und vier verschiedenen Größen auf Edge-Verarbeitungs- und Netzwerkanwendungen im mittleren Bereich ab. Wie andere SoMs/CoMs werden COM-Express-Module in kundenspezifische oder handelsübliche Carrierplatinen eingesteckt.
Während COM Express voraussichtlich noch lange Zeit verwendet werden wird, übertrifft die Entwicklung von COM-HPC (PICMG) die heutigen Hochgeschwindigkeitsanforderungen für Embedded-CoMs/SoMs. Die COM-HPC-Servermodule sind für Edge-Server-Anwendungen vorgesehen, während die COM-HPC-Clientmodule robustes Embedded Computing unterstützen. Durch die COM-HPC-1.2-Spezifikation wurde ein kompakterer COM-HPC-Mini-Formfaktor eingeführt, der auf traditionelle Embedded-Computing-Anwendungen abzielt.
Die COM-HPC-Steckverbinder von Samtec unterstützen Schnittstellen wie PCIe 5.0 (32 Gbit/s), PCIe 6.0 (64 Gbit/s PAM4) sowie 25 Gigabit-Ethernet-Kanäle. Die Anschlussbelegungen sind für Mini-, Client- oder Servermodule optimiert, wie in der COM-HPC-Spezifikation festgelegt.
Trotz aller Industriestandards für SoMs/CoMs gab es bis zur Einführung des Standards HFM (Harmonized FPGA Module, SGET) nichts, das speziell auf FPGA- und SoC-FPGA-SoMs ausgerichtet war. Für FPGAs und SoC-FPGAs im unteren bis mittleren Leistungsbereich verwendet HFM die »Solder-on-Module«-Technologie wie OSM. Für SoC-FPGAs im mittleren bis oberen Leistungsbereich wird ein herkömmlicher Ansatz mit Steckverbindern zwischen SoMs und Carriern verwendet. Weitere Einzelheiten zu diesem neuen Standard werden Mitte 2025 bekannt gegeben.
Schlussfolgerung
Zweifellos stehen wir am Anfang beeindruckender technologischer Fortschritte im Bereich der Unterstützung von KI-Anwendungen. Mit zunehmender Integration von KI im Intelligent Edge werden fortschrittliche Verbindungsmöglichkeiten entstehen, um die von den neuesten Prozessoren geforderten Geschwindigkeiten zu unterstützen und eine neue Generation von Anwendungen zu ermöglichen, die die Leistung steigern und zugleich die Zuverlässigkeit und Sicherheit verbessern. Auf der embedded world 2025 in Nürnberg vom 11. bis 13. März 2025 stellt Samtec in Halle 4A, Stand 324, aus. Samtecs Technologie-Blog unter blog.samtec.com informiert über die neuesten Trends im Bereich Embedded Computing, und auf samtec.com sind Informationen über Samtecs Verbindungslösungen für leistungsstarkes Embedded Computing zu finden.
Samtec auf der embedded world: Halle 4A, Stand 324
Literatur
[1] Gartner Data Analytics Summit, 2023.
[2] Artificial Intelligence Solutions Guide, Samtec, 2024.
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