Keine Frage, Atom-Prozessoren von Intel bedienen das klassische Anforderungsprofil in der Automatisierungstechnik und ermöglichen den Aufbau kompakter Geräte mit niedrigem Energiebedarf. Einen aktuellen Vertreter dieser IPC-Klasse stellen Nanobox-PC und Nanopanel-PC dar. Bei ihnen kommt die neueste Atom-Prozessor-Generation „Tunnelcreek“ zum Einsatz, die gezielt auf das Verhältnis von Performance zu Verlustleistung optimiert wurde.

Vier CPU-Typen (E620/640/660/680) stehen zur Verfügung, die zusammen mit dem Controller-Hub EG20T zwischen 4,8 W und 6 W aufnehmen. Dies reduziert nicht nur die Verlustleistung und Wärme-Entwicklung im Schaltschrank, auch die Stromversorgung wird entlastet.

Stromspar-Mechanismen optimieren die Leistungsbilanz

Intel-Atom-Prozessoren ermöglichen lüfterlose und kompakte Industrie-PC wie den Nanobox-PC mit knapp einem Liter Volumen.

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Zudem verringern so genannte Speed-Step-Funktionen die Leistungsaufnahme. Ursprünglich entwickelt, um die Akku-Laufzeit eines Notebooks zu verlängern, passt die CPU ihre Parameter (Taktraten, Spannungen) der tatsächlich benötigten Rechenleistung an. Bei Windows-Tasks für den Anwender oft gar nicht wahrnehmbar, muss bei der Steuerung von Echtzeit-Aufgaben allerdings genau geprüft werden, ob und wie dieser Mechanismus das Echtzeit-Verhalten der Steuerung beeinflusst. Abhängig davon empfiehlt es sich, Speed-Step im Windows-Power-Schema zu deaktivieren.

Zur weiteren Reduzierung des Stromverbrauchs von Maschinen oder Anlagen können die IPCs in Ruhezeiten heruntergefahren werden, beispielsweise während einer Pause, über Nacht oder am Wochenende. Mit der Funktion „Wake-on-LAN“ lassen sich die Geräte wieder „aufwecken“: Der Netzwerk-Controller des IPC erkennt anhand eines definierten Datenpakets, dass er den Rechner hochfahren soll. Dieses so genannte „Magic-Package“ kann beispielsweise via Script von einem Administrations-Rechner an alle IPCs automatisch versendet werden. Voraussetzung für diese Funkton ist, dass der Rechnerkern ACPI (Advanced Configuration and Power Interface) unterstützt und der Netzwerk-Controller permanent mit Energie versorgt wird.

Zweiter Kern dank Hyper-Threading

Viele Montage­optionen ergeben sich durch die geringe Verlustleistung in Kombination mit einem durchdachten Wärmema­nage­ment.

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Die CPU-Generation E6x0 ist mit der von anderen Intel-Prozessoren bekannten Hyper-Threading-Technologie ausgestattet, die dem real vorhandenen Prozessorkern einen zweiten, virtuellen Prozessorkern zur Seite stellt. In diesem virtuellen Kern können andere Programmteile parallel bearbeitet werden. Der Grund: Prozessoren arbeiten die einzelnen Befehle in einer Pipeline-Struktur ab. Da der Rechnerkern zum Beispiel auf Daten aus dem RAM oder einem Massenspeicher warten muss, können Wartezeiten entstehen. Diese Pausen nutzt Hyper-Threading und bearbeitet ein zweites Teilprogramm (Thread). In Summe resultiert daraus eine Performance-Steigerung von bis zu 30 %.

Im Schatten von CPU und Arbeitsspeicher stehen häufig die Speichermedien. Dabei braucht es auch hier je nach Anwendungsfall spezielle Komponenten – nicht nur hinsichtlich Technologie und Volumen. Bei den Nanobox- und Nano­panel-PCs lassen sich von außen zugänglich CompactFlash-Karten (CF) mit bis zu 8 GByte einbauen. Für die schnelle Abarbeitung von massenspeicherintensiven Anwendungen sind ebenso Solid-State-Drives (SSD) mit bis zu 50 GByte verfügbar. Der Zeitvorteil bei Schreib-/Lese-Zyklen liegt beim bis zu Zehnfachen gegenüber CF. Für höchste Systemverfügbarkeit sind sowohl die CF- als auch die SSD-Komponenten in Single-Level-Cell-Technologie (SLC) aufgebaut: Bei beiden Speichertechnologien organisiert ein Controller den Datenaustausch zwischen PC und den Flash-Speicherzellen.

Der Vorteil von SLC besteht darin, dass die Speicherzellen im Vergleich zu MLC (Multi-Level-Cell) nur zwei Zustände pro Flashzelle speichern müssen und sich somit der Abstand der Spannungszustände erhöht. Der Controller verteilt dazu die Schreibzugriffe gleichmäßig auf den Flash-Speicher – sowohl bei selten geänderten Daten (Betriebssystem) als auch bei Applikationsdaten, die fortlaufend gespeichert werden müssen. Damit nicht genug: Selten oder nie benutzte Datenbereiche werden auf stärker be­anspruchte Bereiche (Wear-Leveling) kopiert. Dies sorgt für eine gleichmäßige Auslastung der Speicherzellen und maximiert die Lebensdauer. Gilt es, besonders speicherintensive Applikationen zu realisieren, kann beim Nanobox-PC auch auf eine 250-GByte-Festplatte zurückgegriffen werden.

Remanenzspeicher – ein Muss

Der „Dedicated Mode“ stellt die Echtzeit-Fähigkeit des Software-Controllers Simatic WinAC auch bei mehreren, parallel laufenden Applikationen sicher.

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Durch Netzausfälle oder die Notabschaltung einer Maschine/Anlage können ohne Gegenmaßnahmen wichtige Prozessdaten im Arbeitspeicher unwiederbringlich verloren gehen. Um dies zu vermeiden, brauchen Steuerungs-PCs integrierte Remanenzlösungen. Bei der IPC-Linie Nano ist der Remanenzspeicher als MRAM (Magnetoresistive Random Access Memory) realisiert. Im Gegensatz zu den oft verwendeten SRAM-Bausteinen (Static Random Access Memory) benötigt diese Speichertechnologie keinerlei Batteriepufferung. Der Grund: Die Daten sind nicht in Form von elektrischen Ladungen, sondern magnetisch gespeichert. Komplett entfallen können Pufferbatterien, wenn auch die BIOS-Setup-Daten statt im üblichen CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) in einem EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-only Memory) ge­speichert werden.

Ist zusätzlich eine Bedieneinheit notwendig, lässt sich die Box-PC-Hardware mit einem Widescreen-Display zum Nanopanel-PC mit 7-, 9- oder 12-Zoll-Diagonale kombinieren. Dessen LED-Hin­tergrundbeleuchtung unterstützt den CPU-Kern hinsichtlich energieeffizientem Betrieb. Technologiebedingt benötigen LEDs bei gleicher Leuchtstärke weniger Strom als die klassischen Kaltkathodenstrahlröhren. Ferner ermöglicht die LED-Hintergrundbeleuchtung eine Helligkeitsregelung von 0 bis 100 %; Kaltkathodenstrahlröhren dagegen nur zwischen etwa 20 und 100 %. Darüber lässt sich der Strombedarf dem jeweiligen Betriebszustand (Ruhezeiten) anpassen und die Gesamtleistungsaufnahme des Geräts weiter senken. Die vollständige Dimmbarkeit verlängert zudem die Lebensdauer der Hintergrundbeleuchtung.

Teile und rechne: Vier Kerne können mehr

Intels Core-Prozessoren erweitern die Anwendungsfelder von Rack-PC.

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Am anderen Ende der Leistungsskala hat Intel die Core-Prozessoren positioniert. Bereits in der zweiten Generation verfügbar, sorgen sie bei den Rack-PCs Simatic IPC547D für eine Leistungssteigerung um nahezu 100 % gegenüber der ersten Geräte-Generation. Diese resultiert zum einen aus der höheren Taktrate der Quad-Core-CPUs, zum anderen aus der integrierten Hyper-Threading-Technologie. Letztere ermöglicht es jedem der vier CPU-Kerne, zwei Threads simultan abzuarbeiten. In Summe ergibt das acht „parallel“ bearbeitete Aufgaben.

Trotz der vorgehaltenen Rechenleistung sorgt ein ausgefeiltes Power-Management mittels Turbo-Boost für geringen Energieverbrauch und damit für eine niedrige Wärme-Entwicklung. Dieses Verfahren erhöht die Taktfrequenz der unter Last stehenden Prozessorkerne automatisch, um ein schnelles Abarbeiten der jeweiligen Task zu ermöglichen. Dies ist abhängig von Faktoren wie der Anzahl aktiver Prozes­sorkerne sowie von den thermischen und elektrischen Grenzwerten. Je weniger Kerne gerade aktiv sind, umso höher lassen sich die anderen übertakten.

Im Idealfall kann ein Prozessorkern einer CPU Core i7-2600, der standardmäßig mit 3,4 GHz arbeitet, mit maximal 3,8 GHz getaktet werden. Gleiches gilt für den Grafikchip. Im Prozessor integriert, passt sich dessen Taktfrequenz dynamisch zwischen 850 MHz und 1,35 GHz an. Dies geschieht zum Beispiel bei grafikintensiven Visualisierungen, die den eigentlichen Prozessor nur wenig belasten und viele Berechnungen bislang auf die Grafikkarte auslagern würden. Somit profitieren auch ältere Applikationen von den aktuellen Prozessortechnologien, selbst wenn sie nicht für Multicore-CPUs optimiert sind.

Parallele Bearbeitung dank Multicore

Die aktuellen Betriebssysteme von Microsoft wie Windows 7 oder Server 2008 verteilen die Aufgaben auf die jeweiligen Prozessorkerne, ohne dass spezielle Anpassungen in der Applikationssoftware nötig wären. So lassen sich mehrere Anwendungen auf einem Gerät bündeln. Dies spart Platz und reduziert die Hardware-Kosten. Um die Echtzeit-Fähigkeit des Software-Controllers Simatic WinAC RTX sicherzustellen, unterstützt dieser den so genannten „Dedicated Mode“. Hierbei reserviert die Echtzeit-Erweiterung der Software einen kompletten Prozessorkern für sich. Somit können die auf anderen Cores laufenden Applikationen – meist Visualisierung, Datenbank-Anwendungen und Windows-Dienste – die Echtzeit-Fähigkeit des Software-Controllers nicht beeinflussen.

Aufgrund ihrer Rechenleistung und den vier Cores eignen sich die Prozessoren auch für Applikationen, die eine spezifische, virtuell nachgebildete Umgebung benötigen, beispielsweise eine nicht mehr lieferbare Hardware­konfiguration, oder wenn mehrere Systeme auf einem Gerät zusammenzufassen sind. Dieses Szenario deckt Intel mit den Virtualisierungstechnologien VT-x und VT-d2 ab: VT-x optimiert den Ablauf von virtuellen Maschinen und ermöglicht deren performante Ausführung. Ein typisches Szenario sind große Scada-Installationen, bei denen mehrere virtuelle Server und Clients einer Leitsystem-Applikation parallel auf einem Rack-PC laufen. VT-d2 ist wiederum darauf fokussiert, virtuellen Maschinen den direkten und schnellen Zugriff auf Hardwarekomponenten zu ermöglichen.

Des Wei­teren unterstützen Core-i5- und Core-i7-Prozessoren die Intel-Active-Management-Technologie (Intel AMT). Dies ermöglicht die passwortgeschützte Fernbedienung von IPCs – ohne zusätzliche Hardware, etwa für Software-Updates oder für das Auslesen von System- und Komponenten-Informationen über Webbrowser. AMT funktioniert sogar bei heruntergefahrenem Rechner. Somit lassen sich immer größere und komplexere Anlagen mit geringem Aufwand verwalten.

Autoren: Patrick Appelt ist Marketingmanager Simatic IPC bei der Siemens Business Unit Industrial Automation Systems in Nürnberg.

Peter Berger ist Produktmanager Simatic Nano IPCs bei der Siemens Business Unit Industrial Automation Systems in Nürnberg.