Mehr Leistung für wenig Leistung

Was industrielle IoT-Anwendungen heute benötigen, ist eine Kombination aus leistungsstarken Prozessoren mit geringem Stromverbrauch Technologie, robuster Echtzeitbetrieb, Echtzeitkonnektivität und Echtzeit-Hypervisor-Technologien. Ausgestattet mit der neuesten Intel Atom-, Celeron- und Pentium-Prozessorgeneration bieten congatec Boards und Module in jeder Hinsicht mehr Leistung für Low-Power-Anwendungen.

Zielmärkte sind Automatisierung und Steuerung – von verteilten Prozesssteuerungen in Smart Energy Networks und der Prozessindustrie über Smart Robotics bis hin zu SPS- und CNC-Steuerungen für die diskrete Fertigung. Weitere Echtzeit-Märkte finden sich in der Prüf- und Messtechnik sowie in Verkehrsanwendungen wie Bahn- und Gleisanlagen oder autonome Fahrzeuge, die ebenfalls von den erweiterten Temperaturoptionen profitieren.

Auch für grafikintensive Anwendungen wie Edge-Connected POS-, Kiosk- und Digital Signage-Systeme oder verteilte Spiel- und Lotterieterminals, für die die neuen congatec-Boards und -Module auch erweiterte Remote Machine bieten, ist die neue Low-Power-Prozessorgeneration perfekt geeignet -zu-Maschine-Kommunikation. Die neuen Low-Power-Prozessoren Intel Atom, Celeron und Pentium (auch bekannt als Elkhart Lake) werden daher den Embedded- und Edge-Computing-Markt schnell erobern und zum neuen Flaggschiff des lüfterlosen Low-Power-Embedded-Computing von 4.5 bis 12 Watt werden. Dafür gibt es viele gute Gründe:

Ein deutlicher Zuwachs an Prozessor Leistung

Die neuen stromsparenden Intel Atom-, Celeron- und Pentium-Prozessoren bieten gegenüber ihren Vorgängern auf Basis der Apollo-Lake-Mikroarchitektur eine deutliche Leistungssteigerung von bis zu 50 % Multi-Thread- und sogar bis zu 70 % Single-Thread-Leistung. Für viele industrielle Anwendungen ist es außerdem wichtig, dass der erweiterte Temperaturbereich von -40°C bis +85°C unterstützt wird. Mit bis zu 4 Kernen und maximalen Taktraten von bis zu 3 GHz im Boost-Modus bringen die neuen Prozessoren deutliche Leistungssteigerungen in den gesamten Embedded-Markt, einschließlich Single- sowie Multi-Threaded-Anwendungen.

Von noch größerer Bedeutung für Embedded-Anwendungen ist jedoch die Tatsache, dass die Intel Atom Prozessortechnologie nun auch in 10nm verfügbar ist. Embedded-Nutzer der bisherigen Low-Power-Intel-Architekturen mit den Codenamen Apollo Lake (14nm), Braswell (14nm) oder Bay Trail (22nm), die auf die neuen Elkhart-Lake-Varianten migrieren, können somit von den Vorteilen der Intel SuperFin-Technologie profitieren zum ersten Mal. Dies bietet neben einer höheren Packungsdichte entweder einen geringeren Stromverbrauch bei gleicher Leistung oder eine höhere Leistung bei gleicher TDP. Beide Aspekte sind bei eingebetteten Designs von entscheidender Bedeutung. Ein Vergleich der neuen Designs, die in Varianten von 4.5 bis 12 Watt erhältlich sind, zeigt, dass Anwender jeder TDP-Klasse von deutlichen Leistungssteigerungen profitieren können. Und da die Energiesparmodi der Prozessoren Energy Star 3.0-zertifiziert sind, verbrauchen verbundene Anwendungen im Standby-Modus auch ohne speziellen Netzwerk-Proxy-Chip sehr wenig Strom.

Unterstützt wird der erhöhte Datendurchsatz durch mehr Arbeitsspeicher, der auf maximal 16 GB LPDDR4-Speicher mit bis zu 4267 MT/s erweiterbar ist. Auch geschäftskritische Echtzeitanwendungen profitieren von kostengünstigeren ECC-Implementierungen, da Intel Inband Error Correction Code (IBECC) die Verwendung kostengünstigeren konventionellen Speichers anstelle von dediziertem ECC-RAM ermöglicht. Kunden können den ECC- und Nicht-ECC-Modus im BIOS konfigurieren. Die Möglichkeit, IBECC nur auf bestimmte Speicherbereiche anzuwenden, ist ein besonderer Vorteil, da Entwickler sich dadurch nicht zwischen Alles oder Nichts entscheiden müssen. So kann beispielsweise der für eine geschäftskritische virtuelle Maschine reservierte Speicherbereich durch den Einsatz von IBECC vor Datenfehlern geschützt werden, während der verbleibende Hauptspeicher zugunsten höherer Datenraten ohne dieses Feature auskommt. Aber auch mit aktiviertem IBECC sind die erreichbaren Datenraten oft mehr als doppelt so hoch wie mit DDR3L ECC-Speicher auf Intel Atom E3900 Prozessoren.

Attraktiv ist in diesem Zusammenhang der Onboard UFS 2.1 Flashspeicher (Universal Flash Storage). Im Vergleich zu eMMC verfügt diese neue Speichertechnologie über eine deutlich höhere Bandbreite, schnellere Datenübertragung und größere Speicherkapazitäten. All dies wird auf dem gleichen Footprint angeboten, und UFS kann sogar als primäres Boot-Laufwerk verwendet werden.

Doppelt so schnelle Grafik für immersive Erlebnisse

Die neuen congatec Boards und Module bieten zudem beeindruckende Grafik mit doppelter Geschwindigkeit für bis zu 3x 4k @ 60fps und 10 Bit Farbtiefe. Möglich wurde diese massive Steigerung der Grafikleistung durch die Integration der Intel Gen11 Grafikeinheit, die bereits in den deutlich leistungsstärkeren Intel Core Prozessoren der 10. Generation (Ice Lake) verbaut war. Auch hier sitzt die GPU auf dem CPU-Die und profitiert von den Leistungs- und Energieoptimierungen der 10-nm-Fertigungstechnologie. Vor allem aber ergibt sich der Leistungszuwachs aus der Anzahl der integrierten Execution Units (EUs), von denen es bis zu 32 gibt. Die Grafikleistung verdoppelt sich also allein schon durch die höhere Effizienz und die gestiegene Anzahl an EUs, da die stromsparende Gen9-Grafiken von Apollo Lake hatten maximal 18 EUs. Die Gen11-Grafik adressiert die daraus resultierenden höheren Bandbreitenanforderungen mit besserer Komprimierung, größerem L3-Cache und höheren maximalen Datenübertragungsraten. Es unterstützt auch alle wichtigen Beschleunigungs-APIs wie DirectX 12, OpenGL 4.5, Vulkan 1.1, OpenCL 1.1 und Metal, was es ideal für 3D-Grafiken und eine breite Palette von GPGPU-gesteuerten Anwendungen macht. Videolastige Anwendungen wie Digital Signage, Gaming, Streaming-Clients und AV-Kopfstellensysteme profitieren von der hardwarebeschleunigten Kodierung und Dekodierung der neuesten Codecs, wie dem ultra-dateneffizienten aber auch rechenintensiven HEVC (H .265) und VP9 sowie die weit verbreiteten Vorgänger AVC (H.264) und AV1.

Höherer Datendurchsatz dank PCIe Gen3 und USB 3.1 Gen2

Für viele Entwickler wird auch der höhere Datendurchsatz zu Peripheriegeräten ein wesentlicher Vorteil der neuen Intel Core-Prozessoren sein. PCIe Gen3 ist erstmals in einem Low-Power-Prozessor verfügbar, wodurch sich die Datenrate im Vergleich zu PCIe Gen32, wie es von Apollo Lake unterstützt wird, auf maximal 16 Gigabyte/s (2 Gigabyte pro Hin- und Rückkanal) verdoppelt hat . Dies wird nun mit 8 GHz statt 5 GHz Taktfrequenz erreicht.

Ein weiteres neues Feature für Low-Power-x86 ist die Unterstützung von USB 3.1 Gen2, die eine deutliche Leistungssteigerung im Vergleich zu USB 3.1 Gen1 bietet. Dieser ermöglicht mit bis zu 10 GBit/s eine doppelt so schnelle Datenübertragung im Vergleich zu USB 3.1 Gen1, wodurch es erstmals möglich ist, unkomprimierte UHD-Videosignale – etwa von einer Kamera auf einen Monitor – über USB zu übertragen.

Die Erhöhung der Taktrate von Peripheriebussen kann sich jedoch erheblich auf das Systemdesign auswirken, da dies die Entwickler von Trägerplatinen vor neue Herausforderungen stellt, insbesondere hinsichtlich der Signalkonformität. Höhere Taktraten machen das Routing deutlich komplexer und fehleranfälliger. congatec bietet seinen Kunden daher umfassende Carrier Board Design Services und Compliance Tests. Das erspart den Kunden den Rückgriff auf externe Labore und hat bei Problemen zusätzlich den Vorteil, dass sie direkt mit den Experten sprechen können, die bereits zahlreiche andere COM- und Carrier-Kombinationen auf Herz und Nieren getestet haben und somit genau über die erforderliche Expertise verfügen.

Harte Echtzeit – auch über Standard-Ethernet

Funktionen der neuen Boards und Module, die insbesondere in industriellen Echtzeitanwendungen auf Basis von VxWorks und Echtzeit-Linux geschätzt werden, sind TSN (Time Synchronized Networking), Intel® TCC (Time Coordinated Computing) und RTS (Real-Time Systems). Hypervisor-Unterstützung.

TSN ermöglicht taktile Internetanwendungen über IP in harter Echtzeit. Die neuen Intel Atom Prozessor-basierten Module und Boards von congatec bieten integrierte MACs, die TSN über 1 GbE unterstützen. congatec unterstützt TSN bereits seit langem und bietet zudem Entwicklungsplattformen an, die TSN-Vernetzung mit Echtzeitsteuerung kombinieren. Kunden, die TSN in ihre Anwendungen integrieren möchten, können somit direkt von den bereits verfügbaren applikationsfertigen Lösungen profitieren.

Die TCC-Technologie orchestriert die Echtzeit-IP-basierte Kommunikation von Intel auch in Richtung der I/Os, um die Latenz zu reduzieren und Jitter in synchronen Prozessen zu minimieren. Es kann über das Intel TCC Software Toolkit angepasst werden. Dies kann für Echtzeitanwendungen im Transportsektor nützlich sein, bei denen der prozessorintegrierte CAN-Bus integriert werden muss.

Umfassende Virtualisierungsunterstützung für die Hardwarekonsolidierung

Natürlich spielt die Hardwarevirtualisierung in vernetzten Echtzeitsystemen eine wichtige Rolle, da Echtzeit-Multitasking eine wesentliche Voraussetzung für IoT- und Edge-Geräte ist. Die Intel Atom Prozessoren unterstützen die Virtualisierung mit der Intel VT-Technologie, die eine attraktive Ergänzung zu Echtzeit-Hypervisor-Technologien darstellt, wie sie congatec mit dem RTS Hypervisor anbietet. Die Intel VT-Technologie unterstützt beispielsweise die Single-Root-I/O-Virtualisierung (SR-IOV). Dadurch können mehrere Apps, die in virtuellen Maschinen mit Universal-Betriebssystemen (GPOS) gehostet werden, nativ auf eine I/O-Schnittstelle, zB eine der Ethernet-Schnittstellen, zugreifen. Dies ist ein durchaus attraktives Feature, zumal diese Schnittstellen oft knapp sind.

Der RTS Hypervisor der congatec-Tochter Real-Time Systems lässt sich nahtlos mit den hardwareintegrierten Virtualisierungsfunktionen der Elkhart-Lake-Prozessoren kombinieren, um kritische Echtzeitanwendungen auszuführen – parallel zu anderen Mehrzweck-Betriebssystemen wie Linux und Windows, ohne zusätzliche Kosten zu verursachen Latenz. Virtualisierung hilft also in erster Linie, zahlreiche Aufgaben auf einem einzigen System zu konsolidieren. Und die Zahl der Aufgaben vervielfacht sich rasant in industriellen Steuerungssystemen der nächsten Generation, die heute neben der Standortsteuerung oft auch in Echtzeit miteinander interagieren müssen. Darüber hinaus wird ein IIoT-basierter Datenaustausch benötigt, um verteilte Maschinen zu überwachen, die Anlagenleistung zu optimieren und neue Geschäftsmodelle mit Predictive Maintenance und As-a-Service-Angeboten einzuführen. Viele Anwendungen erfordern auch die Integration von visionsbasierter künstlicher Intelligenz. Der RTS Hypervisor wird von allen neuen congatec Boards und Modulen mit den neuen Intel Atom, Celeron und Pentium Prozessoren unterstützt. Dies ist eine Funktion, die in dieser Form nur bei congatec verfügbar ist.

Künstliche Intelligenz und maschinelles Sehen

Künstliche Intelligenz wird heute häufig für Edge Analytics eingesetzt. Die neuen Intel-Prozessoren unterstützen ein umfangreiches Portfolio an KI-Produkten und Optimierungen für gängige Frameworks. Besonders hervorzuheben sind die OpenVino- und Microsoft ML-Unterstützung. Microsoft ML ist eine kostenlose Machine-Learning-Softwarebibliothek für die Programmiersprachen C# und F#. Es unterstützt auch Python-Modelle, wenn es in Verbindung mit NimbusML verwendet wird. Das OpenVINO™-Toolkit umfasst das Intel® Deep Learning Deployment Toolkit, optimierte OpenCV- und Mediencodierungs- und -decodierungsroutinen sowie 20 vortrainierte Modelle und Codebeispiele. Ein effizienter Einstieg in Computer Vision und OpenVINO ist das congatec Workload Consolidation Kit für visionsbasierte Situational-Awareness-Anwendungen. Es ist anwendungsbereit und ermöglicht Kontextbewusstsein für Roboter, autonome Fahrzeuge und Videoüberwachung, Fahrgast- und Fußgängerzählung oder automatische Kassensysteme im Einzelhandel.

Workload-Konsolidierungskit für Machine Vision

Das Workload Consolidation Kit für Vision-based Situational Awareness Applications von congatec, das von Intel als produktionsreifes Intel® IoT RFP Ready Kit qualifiziert ist, demonstriert die Effizienzvorteile der Virtualisierung. Es bietet drei virtuelle Maschinen (VMs) zur Workload-Konsolidierung von Vision-Anwendungen basierend auf Hypervisor-Technologie von Real-Time Systems (RTS). Eine VM führt eine Vision-basierte KI-Anwendung mit Intel® OpenVino™-Software für das Situationsbewusstsein aus. Die zweite VM ist echtzeitfähig und betreibt deterministische Steuerungssoftware, während die dritte VM als IIoT/Industrie 4.0-Gateway fungiert. Das in Zusammenarbeit mit Intel und RTS entwickelte congatec-Kit, das auch mit der neuen Intel Atom Prozessorgeneration zur Verfügung gestellt werden kann, zielt auf die nächste Generation von visionsbasierter kollaborativer Robotik, Maschinensteuerung und autonomen Fahrzeugen, die mehrere Aufgaben in parallel, einschließlich Situationsbewusstsein basierend auf Deep-Learning-basierten KI-Algorithmen.

Erhebliche Sicherheitsverbesserungen

Alle IIoT-Edge-Geräte müssen Sicherheitsfunktionen integrieren. OEMs können Virtualisierungstechnologien wie den Echtzeit-Hypervisor von RTS nutzen, um diese zu integrieren. Idealerweise ist das Fundament jedoch bereits direkt in der Hardware verankert. Auch in dieser Hinsicht hat die neue Low-Power-Prozessorgeneration einiges zu bieten. Die neuen Intel Atom-, Celeron- und Pentium-Prozessor-basierten Boards und Module von congatec bieten beispielsweise innovative Optionen für ein umfassenderes Out-of-Band-Management zusammen mit einer vollständigen Palette von integrierten Sicherheitsfunktionen wie verifiziertes Booten über Intel® Boot Guard 2.1, TPM Unterstützung einschließlich Intel® Platform Trust Technology (Intel® PTT) und Intel® Dynamic Application Loader (Intel® DAL), um die Entwicklung konsistenter, wirklich vertrauenswürdiger Anwendungen zu ermöglichen. Und auch in Sachen Datenverschlüsselung und -entschlüsselung bieten die neuen Boards und Module mehr. Die Intel® Advanced Encryption Standard New Instructions (AES-NI) und die SHA-Erweiterungen für hardwarebeschleunigte Secure Hash-Algorithmen sind jetzt noch leistungsfähiger. Ganz neu ist die Prozessorunterstützung von SMx-Chiffren, einer Reihe von Standardalgorithmen, die insbesondere in China verwendet werden. Schließlich steht jetzt auch der Kopierschutz HDCP 2.3 zur Verfügung, der für die Wiedergabe aktueller HD-Medien notwendig ist.

Kontinuierlicher 24/7-Betrieb und langfristiger Support

Die neuen Intel Atom-, Celeron- und Pentium-Prozessor-basierten Boards und Module von congatec sind auf hohe Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer ausgelegt. Für Prozessoren, die in rauen Industrieumgebungen eingesetzt werden sollen, bietet Intel 10 Jahre Dauerbetrieb rund um die Uhr (24 % im Ruhezustand S7) und erweiterte Temperaturbereiche von -100°C bis +0°C bzw. maximaler TJ von 40 °C bis 85 °C. Intel plant eine garantierte Prozessorverfügbarkeit von 100 Jahren anzubieten, die es congatec ermöglichen würde, die gleiche Verfügbarkeit für funktionsidentische Produkte zu gewährleisten – was beispielsweise für den Medizin- und Transportsektor besonders wichtig ist. Derzeit beträgt die Standardverfügbarkeit von congatec-Boards 110 Jahre. Für OEMs mit höheren Verfügbarkeitsanforderungen können Sonderprogramme mit längerer Verfügbarkeit vereinbart werden.

Zehn neue Konfigurationen

Die neuen Boards und Module sind in den Formfaktoren Pico-ITX SBC, SMARC, Qseven, COM Express Compact und Mini in den folgenden Prozessorkonfigurationen erhältlich: