Computer-on-Modules mit »G-Series SoC«-Prozessoren
Dicht gepackte Rechenleistung
Auf so genannten »Accelerated Processing Units« (APUs) sind CPU und GPU in einem Chip vereint. Die SoC-Variante der »G-Series«-APUs bietet x86er-Prozessortechnik und Grafikleistung in einem besonders kleinen Formfaktor und ist mit einer Langzeitverfügbarkeit von sieben Jahren für Embedded-Anwendungen wie in der Medizintechnik ausgelegt. Integriert auf »Computer-on-Modules« lassen sich die Features dieser Plattform nutzen, ohne dass sich der Entwickler mit Herausforderungen wie sehr engen Anschlusspin-Rastern oder hohen Taktfrequenzen bzw. Flankensteilheiten herumschlagen muss.
Medizingeräte und Medical-PCs müssen immer leistungsfähiger, schneller und »intelligenter« werden, damit Ärzte und Kliniken Kosten sparen und besser behandeln können. Möglich wird dies durch kleinere, leistungsfähigere Prozessoren, die einen zunehmend breiteren Einsatz von Computertechnik erlauben - beispielsweise auch im Homecare-Segment. Für viele medizinische Applikationen sind dabei insbesondere schnelle Datenaufbereitung und -visualisierung gefragt, sei es in Einsatzfahrzeugen, bei der Visite, am Patientenbett oder im OP. Betroffen sind damit sowohl stationäre als auch mobile Medizingeräte - wie beispielsweise extrem kompakte Ultraschallgeräte in der Größe klassischer Notebooks - sowie Medical-Tablet-PCs und Patientendaten-Monitoringsysteme (PDMS). Getrieben durch immer höhere Monitorauflösungen, immer größere Datenmengen aus der bildgebenden Diagnostik und eine höhere Informationsdichte bei der Visualisierung müssen die eingebetteten Prozessoren nämlich vor allem immer mehr Grafik-Quelldaten verarbeiten und darstellen können. Gleichzeitig sollen die Geräte immer kompakter, energieeffizienter und damit auch kostengünstiger werden, um ein zunehmend mobiles und auch breiteres Einsatzfeld zu erschließen.
Hier kann der Anbieter AMD punkten, der Grafik- und Prozessortechnik aus einer Hand anbietet und beides in leistungsfähige SoC-Lösungen auf x86-Basis integriert, mit CPU, GPU und Chipsatz auf einem Chip.
Mit diesen hoch integrierten Lösungen zielt das Unternehmen auf Anwendungsbereiche abseits vom Desktop-PC- und Notebook-Segment und will im Verlauf der nächsten drei Jahre rund die Hälfte des Portfolios in solchen Märkten absetzen, die im Vergleich zu Standard-PCs schneller wachsen und in denen AMDs »Intellectual Property« den entscheidenden Unterschied macht. Hierfür hat das Unternehmen beispielsweise in voll auf den Embedded-Bereich fokussierte FAEs investiert, die sich speziell um die Kunden in Europa und damit auch nicht zuletzt in Deutschland kümmern. Mit dieser klaren Marschrichtung und erwiesener Langzeitverfügbarkeit (beispielsweise im Konsolenmarkt mit sieben Jahren bis zur nächsten Generation) schafft AMD wichtige Grundlagen für den Medizinsektor.
Hier, in der Medizintechnik, ist mehr Rechenleistung auf kleinerem Raum gefragt. So eignen sich die klassischen PC-Prozessorkerne, von denen AMDs »G-Series SoC«-Plattform (Bild 1) zwei oder vier integriert, besonders gut für klassische IT-Aufgaben - also die schnelle Abarbeitung von Anwendungen wie zum Beispiel RIS (Radiologie-Informationssystem), KIS (Krankenhaus-Informationssystem), PACS (Picture Archiving and Communication System) oder Office-Programmen. Dafür bieten die G-Series-SoCs im Vergleich zu den Embedded-G-Series-APUs eine um bis zu 113% höhere CPU-Leistung, im Vergleich zu Intels Atom-Prozessor zeigen sie laut AMD sogar eine um 125% bessere CPU-Performance.
Dedizierte Rechenleistung
Wenn es aber um die Verarbeitung und Aufbereitung von zwei- und dreidimensionalen Bild- oder Videodaten geht, gibt es effizientere Rechenkerne, wie sie die integrierten »Radeon«-Grafikprozessoren von AMD bieten. Durch die Integration dieser GPU in die G-Series-SoC-Plattform bietet diese trotz ihrer kompakten Größe eine besonders schnelle Grafikverarbeitung: Laut Angaben von AMD stehen im Vergleich zu G-Series-APUs bis zu 20% mehr und gegenüber dem Intel-Atom sogar die fünffache Leistung zur Verfügung. Zudem sind die Chips als programmierbare, effiziente Recheneinheiten für die parallele Datenverarbeitung ausgelegt und finden Anwendung beispielsweise bei der Bildaufbereitung in Befundungsworkstations sowie der Bilderzeugung aus Sensordaten in Ultraschallgeräten und Radiologiesystemen. Für solche Applikationen stellt die integrierte GPU über OpenCL-APIs eine Rechenleistung von bis zu 256 GFLOPS zur Verfügung. Und das auf sehr kleiner Fläche, beanspruchen die hochintegrierten SoCs in 28-nm-Technologie doch nur 600,25 mm² auf der Leiterplatte - und der I/O-Controller ist bereits integriert. So führt der Prozessor auf sehr kleiner Fläche alle Standard-Schnittstellen wie beispielsweise PCI-Express, SATA oder USB aus - sogar inklusive »Super-Fast USB 3.0«.
Computer-on-Modules
Aktuelle Prozessor-Bausteine bieten also viele Vorteile, stellen Medizingeräte-Entwickler in der Praxis allerdings gleichzeitig vor große Herausforderungen: Hohe Integrationsdichte mit kaum mehr auflösbaren Anschlusspin-Rastern einerseits und extrem hohe Taktfrequenzen und Flankensteilheiten andererseits. Für eine einwandfreie Funktion ist hier schon sehr spezielles Know-how gefragt, das aber nur selten die Kernkompetenz eines Medizingeräteherstellers darstellt. Deshalb ist es ebenso sinnvoll wie wirtschaftlich, die kritische »Kernbaugruppe« zum Beispiel als »Computer-on-Module« (COM) vorintegriert zuzukaufen. Durch die Erfahrung und Konsolidierungseffekte beim Modullieferanten ergeben sich für den Gerätehersteller viele Vorteile:Skalierbarkeit durch gegebenenfalls austauschbare Module,
- vorintegrierte Plattform (keine Probleme mit der oft sehr speziellen Hardware rund um den Prozessor; Treiber und Board-Support-Packages sind für mehrere Betriebssysteme bereits fertig verfügbar),
- kürzere Entwicklungszeiten bzw. geringere Time-to-Market, da viel Entwicklungs-, Test- und Fehlersuchaufwand wegfällt und
- sehr hohe Qualität durch das spezielle Know-how des Modul-Lieferanten und qualitative Konsolidierungseffekte beim Zulieferer durch Feedback von vielen unterschiedlichen Kunden.
Nützlich und praktisch ist es, wenn weitere wichtige Systemkomponenten auf dem COM verfügbar sind oder sich optional dazu konfigurieren lassen. Dies gilt insbesondere für ein Batteriemanagement bei batteriebetriebenen oder -gepufferten Geräten.
Für neue mobile Low-Power-Designs und stationäre Systeme mit bis zu mittlerem Leistungsanspruch ist das »conga-TCG« im Formfaktor »COM Express Compact Typ 6« die passende Lösung (siehe Bild ganz oben). Auf Basis des Embedded-G-Series-SoC bietet es ein kompaktes Design mit optimierter Grafikleistung und Rechenleistung pro Watt. Durch den hohen Integrationsgrad mit nur einem Chip eignet es sich zudem gut für kostensensitive Applikationen.
Derzeit ist das COM in vier Leistungsvarianten verfügbar, angefangen bei einer Dual-Core-Version mit 9 W TDP bis hin zur Quad-Core-Ausführung mit 2,0 GHz und 25 W TDP. Das Modul unterstützt aktuelle Schnittstellen wie USB 3.0 und kann bis zu zwei Displays gleichzeitig ansteuern (Bild 2). Vier »PCI Express x1«-Lanes Gen. 2, zwei USB-3.0-Ports, acht USB-2.0-Ports, zwei SATA-3-GBit/s-Ports sowie eine Gigabit-Ethernet-Schnittstelle ermöglichen flexible Systemerweiterungen mit hoher Datenbandbreite.
Reicht die Bandbreite dieser neuen Module nicht aus, können Entwickler auf ein breites Portfolio an weiteren leistungsfähigen Embedded-Computer-on-Modules mit langzeitverfügbarer AMD-Prozessortechnologie zurückgreifen. Flaggschiff in der obersten Leistungsklasse ist dabei die »R-Series« (siehe ersten Kasten unten).
Über den Autor:
Zeljko Loncaric ist Marketing Engineer bei Congatec.
| AMDs »R-Serie« auf COM Express Basic |
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| Für Anwendungen in der oberen Leistungsklasse mit sehr hoher Grafikleistung bietet Congatec das Modul »conga-TFS« im Formfaktor »COM Express Typ 6 Basic« mit AMDs »Embedded R-Series«-APUs an. Neben der leistungsstarken Grafik weist dieses Modul sehr gute Performance-pro-Watt-Werte für anspruchsvolle Einsätze auf. Mit der sehr guten grafischen Darstellung eignet sich das conga-TFS für eine breite Palette von medizinischen Anwendungen. Da dieses nahtlos an den Leistungsbereich des conga-TCG-Moduls anschließt, bietet Congatec Entwicklern eine breite Skalierbarkeit, mit der sie auf Basis von COM-Express Projekte von mobilen Low-Power-Geräten bis hin zu stationären Hochleistungssystemen umsetzen können. Der integrierte Grafikkern unterstützt DirectX 11 und OpenGL 4.2 für schnelle 2-D- und 3-D-Bilddarstellung bis hin zu einer 4K-Auflösung (3940 x 2160 Pixel). Das ermöglicht den Einsatz in hochwertigen Befundungsworkstations oder Systemen für die OP-Vorbereitung, die selbst bei Betrachtung aus nächster Nähe keinerlei Pixel erkennen lassen. Zur direkten Ansteuerung von bis zu drei unabhängigen Displays stehen drei DisplayPort-1.2-, eine HDMI-1.4-, zwei Single-Link-DVI- sowie VGA- oder 18/24Bit-Single/Dual-Channel-LVDS Grafikschnittstellen bereit. |
| GPU-Programmierung |
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| Die in den »G-Series SoC«-Plattformen integrierten »Radeon«-Grafikprozessoren verfügen über deutlich mehr Rechenkerne als klassische x86er CPUs und erreichen so bis zu mehreren GFLOPS an Rechenleistung. Für die Programmierung der Grafikeinheiten setzt AMD auf bewährte Standards wie »Direct Compute« von Microsoft und »OpenCL«. Dank der Portierbarkeit von OpenCL können Programmierer darüber hinaus kostenspielige Quellcode-Investitionen in mehreren Produktgenerationen und über die gesamte Breite der AMD-APUs sowie der neuen G-Series-SoC-Plattformen verwenden. Dies ist besonders wichtig in Kundenanwendungen, die eine Vielzahl von Aufgaben möglichst kosten- und energiesparend ausführen müssen. So gibt es beispielsweise komplexe Ultraschalllösungen, die mit mehreren Grafikkarten parallel in einem Racksystem arbeiten - hier wird die CPU kaum belastet, die Grafikkerne arbeiten aber intensiv an parallelen Threads. |
| Für existierende Designs: Die »G-Series« auf ETX-/XTX-Modulen |
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| Für bereits existierende medizinische Anwendungen sind die bewährten COM-Standards ETX mit ISA-Bus und XTX ohne ISA-Bus bereits in vielen Applikationen implementiert. Damit Entwickler diese mit aktueller Grafik- und Rechenleistung aufrüsten können, bietet Congatec das ETX-COM »conga-EAF« und das XTX-COM »conga-XAF« an. Beide Module basieren auf den AMD-G-Series-APUs und sind mit Single-Core- oder Dual-Core-Prozessoren und thermischen Verlustleistungen von 9 W bis 18 W lieferbar. Während das conga-EAF über ITE8888G volle ISA-Bus-Unterstützung bietet, sind beim conga-XAF vier externe PCI-Express-Lanes zum Basis-Board herausgeführt. |
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