Betriebskosten von Embedded-Systemen Software macht den Unterschied

Während das Internet der Dinge zunehmend in bisher nicht vernetzte Anwendungen vordringt, steigt die Komplexität in Soft- und Hardware für Embedded-Systeme. Die anfallenden Kosten für Support, Schulung, Wartung, Updates und Upgrades den ursprünglichen Kaufpreis klein erscheinen lassen.

Embedded-Systeme von heute bieten wesentlich mehr Funktionen und sind deutlich flexibler aber auch komplexer als noch vor zehn Jahren. In einer Embedded-Studie von 2015 führten die befragten Unternehmen an, dass sie 61 Prozent der gesamten Entwicklungsressourcen einschließlich Zeit, Kosten und Personalaufwand für Software und nicht für Hardware ausgegeben haben.

Angesichts dieser Tatsache müssen Entwickler von Embedded-Systemen die Gesamtkosten eines Designs, also die Gesamtbetriebskosten (TCO – Total Cost of Ownership) schon beim Einkauf berücksichtigen und nicht nur die anfänglichen Stücklistenkosten. Nur so können die Risiken einer falschen wirtschaftlichen Entscheidung zugunsten möglichst niedriger Stücklistenkosten vermieden werden, die später beim Einsatz des Produktes höhere wiederkehrende Kosten verursachen. Doch welche Faktoren beeinflussen nun die Gesamtbetriebskosten und wie lassen sie sich minimieren?

TCO-Ansatz für das IoT

Gesamtbetriebskosten im Kontext von Embedded-Systemen und dem Internet der Dinge beziehen sich auf eine finanzielle Abschätzung aller direkten und indirekten Kosten, die mit dem Erwerb eines Embedded-IoT-Systems verbunden sind. Zu den direkten Kosten zählen die Stücklistenkosten der Hardware. Indirekte Kosten umfassen Software-Entwicklung, Erstinstallation, Schulung durch hausinterne Mitarbeiter und externe Anbieter, Wartung, technische Unterstützung, Lizenzierung, Upgrades und Stillstandzeiten (Abschätzung von Einnahmeverlusten) über den gesamten Lebenszyklus des Systems.

Das moderne Konzept der Gesamtbetriebskosten in Bezug auf Informationstechnologie wird gerne dem IT-Beratungsunternehmen Gartner zugerechnet. Der Begriff tauchte jedoch erstmals im Jahre 1929 im Handbuch der American Railway Engineering Association im Rahmen einer Berechnung der Gesamtbetriebskosten für Ventile auf. Genau wie bei einem Eisberg liegt der Großteil der IoT-Kosten unsichtbar unter der Oberfläche (Bild 1). Die sichtbaren Vorlaufkosten des Mikrocontrollers und der Hardware sind verschwindend klein gegenüber den Kosten für die Software-Entwicklung sowie dem laufenden Aufwand über den gesamten Lebenszyklus des Produkts hinweg.

IoT und Software-Komplexität

Embedded-Systemdesign von heute bietet wesentlich mehr Funktionen und ist deutlich flexibler und komplexer als noch vor zehn Jahren. Viele Produkte haben sich soweit fortentwickelt, dass in sie heute wesentlich mehr Ingenieurjahre an Software-Entwicklung als in Hardware-Design investiert werden müssen.

Angesichts der stetig zunehmenden Software-Komplexität entwickelte sich der Aufwand für ihre Pflege und Weiterentwicklung zu einem bestimmenden Faktor bei der Bewertung der Gesamtbetriebskosten. In der IT-Branche hat sich über viele Jahre eine ähnliche Situation entwickelt: Dort schätzt man heute, dass die Hardware-Kosten ungefähr 15 Prozent der Gesamtkosten einer IT-Anlage betragen, während Software- und Supportkosten sich üblicherweise auf 70 Prozent bis 85 Prozent belaufen.

Sollte dies ähnlich auch für Embedded-Systeme in einer IoT-Umgebung gelten, empfiehlt sich für die Auswahl von Produkten eine völlig andere Strategie – eine, in der Software die höchste Priorität hat und in der Hardware-Faktoren eine untergeordnete Rolle spielen. Steht zum Beispiel das Upgrade eines Mikrocontrollers an, kann die Auswahl eines Prozessors, der nicht das gleiche Software-Ecosystem wie die gegenwärtige Hardware unterstützt, zu erheblichem Aufwand bei der Software-Portierung führen. Dies kann die Flexibilität bei der Bauteilauswahl für das Projekt deutlich einschränken.

Die Embedded-Studie von 2015 zeigt, dass die Verfügbarkeit von Software-Entwicklungswerkzeugen der wichtigste Faktor bei der Prozessor-Auswahl ist (71 Prozent), womit dieser Aspekt deutlich vor Rechenleistung (45 Prozent) und Kosten (36 Prozent) kommt. Renesas hat diese Veränderungen beim Verhältnis von Hard- und Software erkannt: Angesichts der rasant wachsenden Anzahl von IoT-Anwendungen bestimmen Software-Entwickler heute die endgültige Lösung und als Mikrocontroller kommt der jeweils am besten zu diesen Anforderungen passende Baustein zum Einsatz.

Strukturwandel in der IoT-Software-Entwicklung

Mit zunehmender Komplexität von IoT-Projekten und einer steigenden Anzahl von fest erwarteten Funktionen nähert sich die Entwicklung von Embedded-Systemen der von Consumer-Software für Notebooks oder Smartphones an. Dabei geht es aber nicht um Consumer-Hardware: Anwender wechseln ihr iPhone womöglich alle anderthalb Jahre, die iOS-Entwicklung folgt jedoch ihrem eigenen Zeitplan. Neue Software-Releases können, müssen aber nicht mit neuer Hardware kompatibel sein.

Betrachtet man die Software, dann ist die Hardware eines Notebooks oder eines Mobiltelefons beinahe irrelevant für den Applikationscode. Sie ist nur die Schnittstelle zu der entsprechenden Betriebssystemfunktion. Anwendungsentwickler eines Windows- oder Android-Gerätes müssen sich bei einem Zugriff auf die Cloud nicht um die Details des Speichermanagements oder einer Authentifizierung kümmern. Dafür nutzt man ein Software-Development-Kit (SDK). Das SDK besteht aus einem Satz von APIs (Application Program Interfaces), die den Zugriff auf Werkzeuge untergeordneter Ebenen ermöglichen – wie Stacks, Treiber und Middleware –, die für die Funktion der Anwendung erforderlich sind.

Dieses Entwicklungssystem mit seinem SDK, den APIs und dem Betriebssystem ist bereits in den Kosten der Hardware enthalten. Der Hersteller des Entwicklungssystems ist dabei verantwortlich für Upgrades und Verbesserungen, sodass sich der Anwender völlig auf seinen eigenen, differenzierten Anwendungscode konzentrieren kann.

Man könnte nun argumentieren, dass ein Notebook oder ein Mobiltelefon wesentlich universellere und daher komplexere Geräte als eine typische Embedded-Applikation sind, was sogar stimmt. Doch trotzdem bleibt das Konzept eines plattformgestützten Entwicklungssystems zur Übernahme der meisten nicht-differenzierten Aufgaben gültig.

Ermittlung der Gesamtbetriebskosten

Um die Gesamtbetriebskosten korrekt zu bemessen, müssen alle Ausgaben berücksichtigt werden, die zu den Gesamtkosten beitragen: 

  • Hardware-Stücklistenkosten 
  • Software-Lizenzkosten 
  • Software-Entwicklung und -Integration 
  • Laufende Wartung 
  • Software-Upgrades 
  • Administrative Aufgaben 
  • Schulung 
  • Unterstützung durch externe Partner 
  • Produktivität des Endanwenders 
  • Kosten für System-Stillstandzeiten 

Die Welt des IoT verändert sich rasant. Als Entwickler sollte man daher besonders auf die Entwicklung von Zukunftstechnologien achten: Wie einfach ist es, bereits fertige Produkte mit neuen Software-Modulen zu erweitern? Dabei ist zu bedenken, dass nachträgliche Veränderungen am Produkt bis zu 30-mal teurer sind, sobald das Produkt auf dem Markt ist.

Skalierbarkeit kann ein großes Problem sein: Ist eine Aufrüstung auf einen leistungsfähigeren Prozessor ohne umfassende Änderungen am Code möglich? Wie sieht es mit Rückwärts-Kompatibilität zu bestehenden Systemen aus?

Wenn ein System über viele Jahre im Feldeinsatz sein wird, sollte man die langfristige Überlebensfähigkeit seiner Lieferanten evaluieren. Womöglich ist es verlockend, ein Open-Source-Produkt für bestimmte komplexe Funktionen wie etwa die Authentifizierung unentgeltlich zu nutzen. Verschwindet der Anbieter aber nach drei Jahren vom Markt, so muss sich der Entwickler selbst um die Aufrechterhaltung seiner Systemfunktionen kümmern.

In der Anfangsphase sollte man daher besonders bei einem neuen Projekt das Software- und Hardware-Ecosystem rund um ein Produkt gründlich in Betracht ziehen. Die wichtigsten Fragen lauten: 

  • Enthält es alle benötigten Komponenten, oder muss neuer Code für Standardfunktionen wie Security oder Kommunikation entwickelt werden? 
  • Sind alle Module umfassend dokumentiert? 
  • Bietet der Anwender umfassende Unterstützung für Hard- und Software, oder verweist er dabei auf externe Drittanbieter? 
  • Ist die Software zertifiziert, wenn dies für den entsprechenden Markt erforderlich ist? 
  • Gibt es konsistente Codierungs- und Qualitätsstandards, die den Best Practices der Branche entsprechen? 
  • Sind Anwendungsbeispiele und Entwicklungs-Kits für gängige IoT-Anwendungen verfügbar? 

Gesamtbetriebskosten der Synergy-Plattform

Mit der »Synergy«-Software-Plattform (SSP) von Renesas lassen sich viele Posten minimieren, die in einer TCO-Berechnung enthalten sind. Renesas Synergy kann als vollständig integrierte Plattform die Gesamtbetriebskosten drastisch senken. Die Plattform ist bereits auf komplexe IoT-Technologien ausgelegt – sie ist optimiert, integriert, getestet, dokumentiert, wiederverwendbar und sie wird über den gesamten Lebenszyklus des Produktes kommerziell gewartet.

Mit einer umfassenden Software-Plattform als Grundlage für den Applikationscode nähert sich die Embedded-Entwicklung zunehmend an das zuvor besprochene Smartphone/Android-Modell an: Der differenzierte Code liegt über einer stabilen Basis. Diese wird laufend aktualisiert, um verbesserte Module zu nutzen. So kann das Folgeprodukt automatisch von jeder Aktualisierung profitieren. Bild 2 zeigt eine Mustersequenz mit zwei Produkten.

TCO-reduzierende Elemente

Die Nutzung der Plattform wirkt sich in drei Bereichen aus: 

  • »Build or Buy«-Kosten entfallen: Zu Beginn eines neuen Embedded-Projekts muss man sich bei der Entwicklungsumgebung entscheiden, ob diese selbst erstellt oder zugekauft wird. Dies erfordert einen erheblichen Zeitaufwand für die Recherche und umfasst unter anderem Online-Recherche, Technologie-Bewertung und Anbieter-Auswahl sowie anschließend Software-Portierung und -Integration. Mit Synergy entfällt dieser Schritt, weil es sich um eine Komplettlösung handelt, die nicht nur die Entwicklungsarbeit, sondern auch das erweiterte Ecosystem der Komponenten, die bei Embedded- oder IoT-Projekten zum Einsatz kommen, erheblich vereinfacht.
  • Risiko-Minimierung: Nutzt man eine zu verlässige Plattform, die keine Vorlaufkosten erfordert jedoch Kompatibilität über eine ganze Mikrocontroller-Familie bietet und gängige APIs nutzt, so lässt sich damit der erforderliche Overhead für die Produktentwicklung deutlich verringern. Dies bietet dem Anwender die Möglichkeit, mehr Zeit in den differenzierten Code oder in die Entwicklung neuer Ideen zu investieren. Mit dem Kauf einer Synergy-MCU kann der Anwender kommerzielle Software im Wert von vielen Tausend Euro nutzen. Darüber hinaus gibt es keine Begrenzung bei der Anzahl der Entwickler-Arbeitsplätze, der Anzahl von Endprodukten oder der Gesamtanzahl von MCUs. Auch die Wartung ist bereits ohne Zusatzgebühren abgedeckt. Jeder Entwickler kann sich unmittelbar an die Entwicklung auf API-Ebene machen. Die Eintrittsschwelle ist sehr niedrig und damit auch das finanzielle Risiko. 
  • Immer auf dem neuesten Stand bleiben: Die Synergy-Plattform wurde als vollständig integriertes Produkt entwickelt und ist nicht aus mehreren unabhängigen Quellen zusammengestellt. Alle Komponenten – Hardware, Software und Tools – wurden von Anfang an in Abstimmung aufeinander entwickelt und optimiert. Mit neu aufkommenden Technologien wächst die Plattform weiter und gewinnt an Qualität, neue Technologien werden eingebunden und ermöglichen robustere Plattformfunktionen. Selbstverständlich werden alle Software-Module unter einem strengen SQA-Protokoll (Software Quality Assurance) anhand gängiger Best Practices für die Codierung entwickelt. 

Das Synergy Hardware-Ecosystem

Das Synergy-Ecosystem enthält mehr als nur Software – es gibt auch eine breite Palette an Kits und Design-Beispielen.

Für allgemeine Entwicklungsarbeiten mit den Bausteinen aus allen MCU-Serien bietet Renesas drei Arten von Kits an. Hinzu kommen noch zwei Design-Beispiele, die Entwickler bei der Implementierung ihrer Designs für spezielle Endprodukte unterstützen und ihnen zeigen, wie sie spezielle Technologien mit der Synergy- Plattform einsetzen können. Es gibt dabei drei Arten von Kits (Bild 3): 

  • Development Kits (DK) umfassen eine komplette MCU-Hardware-Entwicklungsplattform mit vollem Zugriff auf den gesamten Funktionsumfang der MCU. Zusätzlich können Entwickler den Funktionsumfang des DK mit speziellen Leiterplatten erweitern. Alle DKs enthalten einen integrierten J-Link-JTAG-Debugging-Zugang sowie einen Bluetooth-Low-Energy-Transceiver für eine drahtlose Verbindung zu einem Mobilgerät. Für jede der Renesas Synergy MCU-Serien S1, S3, S5 und S7 gibt es mindestens ein DK, das als Basis für die Hardware-Plattformen dient, auf denen die SSP-Software qualifiziert ist. 
  • Starter Kits (SK) richten sich an Entwickler, die womöglich noch keine konkrete Anwendung planen, aber die wichtigsten Funktionsmerkmale der MCU bei minimalem Kostenaufwand ausprobieren wollen. Jedes SK bietet Zugriff auf die meisten MCU-Pins. Es ermöglicht auch eine Erweiterung über Steckverbinder auf der Grundlage des Pmod-Standards und im üblichen Arduino-Format für Arduino-Shield-Steckplatinen. Alle SKs enthalten einen J-Link JTAG-Debugging-Zugang für die einfache Software-Entwicklung. 
  • Promotional Kits (PK): Bei den PKs handelt es sich um sehr einfache Promotion-Kits, die lediglich ein oder zwei der wichtigen Funktionsmerkmale der MCU aufzeigen sollen. PKs bieten einfache Software-Debugging-Funktionen und eignen sich auch für Software-Benchmarks. 

Zwei Arten von Design-Beispielen

Die Product Examples (PE) sind Produktbeispiele, welche eine »Design-Implementierung« eines bestimmten Endproduktes zeigen. Kunden können Teile des PE direkt in ihren Endprodukten wiederverwenden und damit Entwicklungszeit einsparen. PEs enthalten ein komplettes und optimiertes Hardware-Design mit umfassender Dokumentation, einer Stückliste sowie Gerber-Dateien für das Leiterplatten-Layout. PE-Beispiele sind unter anderem eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI – Human Machine Interface), ein Umwelt-Datenmonitor und ein batteriebetriebener Rauchdetektor. Weitere Beispiele sind in Vorbereitung.

Bei den Application Examples (AE) handelt es sich um eine Beispiel-Sammlung von Hardware- und Software-Komponenten zur Demonstration bestimmter Technologien. AEs können eine Sammlung von DKs, SKs, PEs, Hardware von Drittanbietern oder Steckmodule für Pmod- und Arduino-Shield-Steckplätze sein. AE-Software umfasst eine Integration des SSP sowie zusätzlich die für die Demo-Anwendungs-Software nötigen Software-Komponenten. Die AE-Dokumentation besteht aus einer in unterschiedlichen Formen verfügbaren Applicationnote. Die erste Gruppe der Anwendungs-Kits umfasst kapazitive Touch-Technologie, industrielle Netzwerk-Protokolle und IoT-Vernetzung für Sensoren mit einer 6LoWPAN-Schnittstelle. Weitere AEs sind in Entwicklung.

Mit dieser Vielfalt an Kits können Entwickler so schnell wie möglich und bei minimalem Kostenaufwand in die Embedded-Entwicklung einsteigen und damit einen wichtigen Anteil ihrer Gesamtbetriebskosten verringern.

TCO im Vergleich zu Open-Source-Plattformen

Selbstverständlich gibt es neben einer schlüsselfertigen, kommerziellen Plattform auch noch andere Möglichkeiten. Alternativ könnte ein System auf der Basis eines Open-Source-RTOS (kostenfrei), eine Open-Source-IDE wie Eclipse (ebenfalls kostenfrei) plus eine Auswahl von Open-Source-Softwaremodulen (ebenfalls kostenfrei) infrage kommen, die dann noch um eigene Software-Patches ergänzt wird. Kam ein solches System bereits bei mehreren Projekten zum Einsatz und ist das Entwicklungsteam bereits mit dessen Eigenheiten vertraut, so erscheint dieser Ansatz attraktiv. Wie aber schlägt sich diese Lösung über den gesamten Lebenszyklus eines Projekts? Die Tabelle zeigt die Ergebnisse des Vergleichs im Überblick.

 Open-Source Renesas Synergy 
Preis Open-Source-Komponenten sind in aller Regel kostenlos zu haben.
 
Kostenloser Einstieg: Lizenz für die Nutzung in der Produktion erforderlich (Kosten für Renesas Synergy sind im Mikrocontrollerpreis enthalten).  
DokumentationOnline-Dokumentation ist verfügbar (für manche Funktionen stehen ggf. Bücher bereit).
Vereinheitliche Dokumentationsstandards einschließlich kontextsensitiver Smart Manuals.
BedienerfreundlichkeitTypische IoT-Anwendung erfordert Integration von Modulen unterschiedlicher Hersteller. Gemeinsame API, einfache Modul-Integration, Unterstützung aus einer Hand und konsistenter Aufbau (Look & Feel).
SkalierbarkeitKundenspezifische Hard- und Software-Entwicklung möglicherweise erforderlich. Nahtlose Software-Migration zwischen Synergy-Mikrocontrollern, die alle auf der ARM-Cortex-M4-Familie basieren. 
Software-Add-OnsUnterschiedlichste Software-Programme und Utilities, keine einheitlichen Codierungsstandards. GUI, RTOS und zahlreiche IoT-zentrische Module sind verfügbar (konsistente Codierungsstandards). 
Entwicklungs-HardwareBetriebssystem-Software läuft möglicherweise auf standardisierten µC-Entwicklungs-Kits (Support-Leistungen womöglich nur begrenzt verfügbar). Zahlreiche Kits in Entwicklung, einschließlich Beispiele für IoT-bezogene Funktionen. 
QualitätAbhängig vom Einzelanbieter. Strenges SQA-Programm, Rückverfolgbarkeit, dokumentierte Codierungsstandards, QS-Bewertungsparameter für Kunden verfügbar
SicherheitUnbekannt - abhängig vom jeweiligen Modul. Security liegt im Verantwortungsbereich des Systementwicklers. Renesas Synergy-Mikrocontroller enthalten zahlreiche Security-Funktionen in der Hardware, zertifizierte Security-Software-Module ebenfalls erhältlich. 
QuellcodeOpen-Source-Module erlauben dem Anwender kundenspezifische Anpassungen oder Modifikationen des Codes.Quellcode verfügbar für die meisten Module; ggf. zusätzliche Lizenzen erforderlich und Änderungen können sich auf die Supportleistungen auswirken. 
Unterstützung Basis-Support ist meist kostenlos über ein Onlineforum erhältlich. Professioneller Support muss zugekauft werden (Qualität variiert).  Renesas bietet Support für alle Hardware-, SSP- und qualifizierte Software-Module. Support für verifizierte Module wird von den Anbietern geleistet. 
Vergleich Open-Source- und Synergy-Plattform

Unterm Strich zeigt sich: Eine Open-Source-Lösung ist kostenfrei. Dies gilt jedoch nur zu Beginn: Es muss noch immer die passende Hardware für das Design erworben oder entwickelt werden. Zudem muss jedes Mal, wenn ein neues Modul hinzukommt, nochmals Zeit für die Evaluierung des Produkts und des Anbieters aufgewendet und die entsprechende Hard- und Software anschließend integriert, optimiert und getestet werden. Geht das Produkt dann in die Fertigung, so müssen sich die Anwender über neue Entwicklungen von mehreren Anbietern auf dem Laufenden halten und bei Bedarf die Integration und Optimierung wiederholen. 

Mit Renesas Synergy erhält der Anwender eine vollständige Palette von einsatzbereiten Entwicklungs-Boards – und das bei minimalem Kostenaufwand. Die Evaluierungslizenz ist kostenfrei. Die Software-Plattform ist so konfiguriert, dass sie sofort einsatzbereit ist. Befindet sich das Produkt in der Produktion, kann der Entwickler jederzeit neue Erweiterungen nutzen, sobald diese auf den Markt kommen. Die Wiederverwendung des Codes lässt sich für neue Projekte maximieren, selbst wenn ein Umstieg auf einen anderen Synergy-Cortex-M4 erforderlich wird.

Viele Einzelkosten machen ein Ganzes

Die Gesamtbetriebskosten eines Embedded-Systems bestehen aus vielen Einzelposten. Bei einer industriellen IoT-Anwendung kann es viele immaterielle Aspekte geben, die über den gesamten Produktlebenszyklus erhebliche Mehrkosten verursachen können. Diese sind nicht immer sofort bei Projektstart ersichtlich, können jedoch die anfänglichen Stücklistenkosten der Hardware um ein Vielfaches übertreffen.

Eine Bewertung der dabei in Frage kommenden Faktoren, mögliche technologische Weiterentwicklungen sowie die Code-Wiederverwendung über verschiedene Projekte hinweg lassen sich womöglich nur schwer in Zahlen fassen, sollte jedoch als wichtiger Bestandteil in die Überlegungen mit einfließen. Bevor man sich auf eine Entwicklungsstrategie und eine Entwicklungsplattform festlegt, ist eine sorgfältige Betrachtung dieser Variablen unerlässlich. Renesas Synergy bietet hierfür einen risikoarmen und aussichtsreichen Weg, um die Gesamtbetriebskosten zu minimieren.

Über den Autor:

Stefan Ingenhaag arbeitet als Senior Engineer MCU/MPU Solution Marketing ICBG bei Renesas Europe.