Edge-Computing-Plattformen müssen deutlich umfassendere Aufgaben erfüllen, als ihre wesentlich weniger vernetzten Embedded-Vorgänger. Durch den Industrie-4.0-Trend werden an IIoT-angebundene Geräte, Maschinen und Anlagen nämlich deutlich höhere, teils äußerst heterogene Anforderungen gestellt. So sollen klassische Echtzeit-Steuerungen zunehmend über Industrie-4.0-Protokolle wie etwa über MQTT, CoAP oder OPC UA im Zusammenspiel mit Standard-Ethernet-basiertem TSN (Time Synchronized Networking) angebunden werden. Ziel ist: Eine plattformunabhängige, serviceorientierte Architektur (SOA) für taktiles Internet zu generieren, um smarte I/Os, Steuerungen, HMIs und Logger im Feld sowie SCADA, Cloud und ERM/MES-Systeme untereinander in Echtzeit zu verknüpfen.

Ein Mehr an Sicherheit ist Pflicht

Die damit einhergehende intensive Vernetzung birgt Sicherheitsrisiken, weshalb erhöhte Sicherheitsfunktionen zu integrieren sind. Hierzu gehört eine eindeutige fälschungssichere Identität und die Sicherstellung der ordnungsgemäßen Funktionalität eines Gerätes durch die Validierung der installierten Software und Updates. Aber auch die Verwendung von Kryptographie für die gesamte Netzwerk-Kommunikation und der Schutz der im Arbeitsspeicher befindlichen Informationen sind ein Muss. Nicht zu vergessen sind daneben Intrusion Prevention und Detection Systeme, die den Datenverkehr parallel zu den Applikationen analysieren.

Edge-Analytik und IoT-Konnektivität

An Embedded Edge Computer werden zunehmend hohe, teils äußerst heterogene Anforderungen gestellt. Mit einem 6 Core Computer-on-Modul können Systeme jede dieser Aufgaben in einer eigenen der rein theoretisch möglichen zwölf virtuellen Maschinen betreiben – eine passende Hypervisor-Technologie sowie eine sinnvolle Allokation der Schnittstellen vorausgesetzt.

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Hinzu kommen Datenanalyse-Funktionen am Edge der Geräte-, Maschinen- und Anlagen, damit der Hersteller Predictive Maintenance oder kostenpflichtige Zusatzdienstleistungen für seine Maschinen und Anlagen anbieten kann. Nur noch die wichtigsten Daten wie Status- und Alarmmeldungen werden versendet. Soll die lokale Analytik eine bilddatenbasierte KI beinhalten, ist die hohe Rechenleistung und die prozessorintegrierte Grafik beispielsweise in Kombination mit der Intel Distribution des OpenVINO Toolkit ein komfortables Bundle. Mit ihm lassen sich unter anderem sehr effizient smarte Biometrik-Funktionen wie eine Gesichts- und Gestenerkennung umsetzen, die heute in zahlreichen Einzelhandels-, Verkehrsüberwachungs- und Smart-City-Applikationen sowie in der industriellen Maschinenführung zum Einsatz kommen. Ist diese Edge-Analytik abgeschlossen, bedarf es zum Datenaustausch passender IoT-Gateways, die man beispielsweise für 3G/4G/5G oder LPWANs wie LoRa, NB-IoT oder Sigfox auslegen kann, um Alarme an zentrale Clouds abzusetzen oder die Systeme an agile Subscription-Management- und Abrechnungs-Systeme wie Zuora anbinden zu können. Im Smart-Robotik-Bereich kommt die gestiegene KI-Performance der neuen Plattformen zudem zum Einsatz, um über die so erlangte Situational-Awareness kollaborative Robotik-Applikationen zu realisieren. 

Mehrere heterogene Aufgaben in einem System

Gewünscht ist das Bereitstellen all dieser Funktionen in möglichst einem einzigen Embedded Edge Computing System. Und da Echtzeit-Kommunikation über Ethernet auch über virtuelle Maschinen funktioniert, freuen sich OEM, wenn sogar mehrere interaktive Steuerungen auf einer Hardwareplattform zusammengefasst werden können. Das reduziert Kosten bei der Hardware, da nur noch eine Plattform nötig ist, um mehrere autonome, zunehmend kollaborative oder gar kooperative Roboter zu steuern. Die Embedded Systementwicklung ist durch das Edge Computing also deutlich komplexer geworden als noch vor wenigen Jahren mit damals noch weitestgehend autark betriebenen Stand-alone-Systemen.

Die Hypervisor-Technologie

Embedded Vision mit KI ist ein großes Entwicklungsfeld im Embedded Edge Computing, für das Congatec zusammen mit Basler ein umfassendes Ökosystem anbietet.

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Um die vielfältigen Aufgaben am Edge möglichst kosteneffizient umsetzen zu können, konsolidieren OEM-Kunden mehrere vormals separat betriebene Systeme auf einem einzigen Embedded Edge Computer.
Mit Virtualisierungstechnologien, wie sie Congatec auf Basis des RTS-Hypervisors von Real-Time Systems anbietet, lässt sich das besonders effizient umsetzen. Dass Real-Time Systems auch ein Unternehmen der Congatec AG ist, erleichtert dabei die Skalierbarkeit der Lösung, denn der Support aller aktuellen x86-Plattformen durch den RTS-Hypervisor bedeutet noch lange nicht, dass jede Plattform eines Embedded-Computing-Lieferanten im Einsatz zusammen mit dem Hypervisor validiert und getestet wurde. Gleiches gilt selbstverständlich für alle weiteren Komponenten und Funktionen, die OEM benötigen: Ihr Zusammenspiel sollte idealerweise schon getestet und validiert sein.

Zahlreiche Proof-of-Concepts wurden dabei in letzter Zeit umgesetzt, die zeigen, dass die Congatec-Plattformen sowohl die geforderten Einzelfunktionen wie auch das Zusammenspiel der einzelnen Elemente beherrschen. Time-Synchronized-Networking hat das Unternehmen beispielsweise schon auf seinen SBCs und Carrierboards umgesetzt und zusammen mit der dazu gehörenden Intel-IP auf diversen Messen präsentiert. Für sie konnte bereits ein Intel Ethernet Controller genutzt werden, der in Embedded Designs vielfach zur Standardausstattung gehört, was für die vielversprechenden Zukunftsaussichten einer auf offenen Standards basierten OPC-UA-Kommunikation via TSN von entscheidender Bedeutung ist. Außerdem wurden bereits zahlreiche Embedded-Vision-Pattformen mit integrierter KI in Zusammenarbeit mit dem auf Maschinelles Sehen spezialisierten Unternehmen Basler präsentiert. 

Auf Echtzeit-Fähigkeit getestete ­Hardware-Settings

Computer-on-Modules und Carrierboards können bei Großserien auch fusionieren und so zum Full-Custom-Design werden.

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Solche funktionsvalidierten und umfassend getesteten Demo-Plattformen können für Entwickler ein wichtiges Fundament für eigene Entwicklungen darstellen. Passende hausinterne Langzeittests zum Echtzeit-Verhalten, wie sie auch von OSADL bereitgestellt und extern validiert werden können, gehören dabei zum Standard, sodass OEM validierte Echtzeit-Konfigurationen der Plattformen erhalten können, ohne dort eigenen Engineering-Aufwand investieren zu müssen. Das Zusammenspiel mit der Applikation selbst ist dabei immer noch zu validieren, aber Fehler bei den Hardwaresettings lassen sich so von Anfang an ausschließen. Solche Spezialkonfigurationen und entsprechende Tests sind zunehmend wichtig, weil das prozessorintegrierte Thermalmanagement teils im Widerspruch zum deterministischen Echtzeit-Verhalten steht. Gehört die Dokumentation der Echtzeit-Auslegung bereits zur Standardlieferung, müssen sich OEM nicht mit diesen Details der Hardwarekonfiguration befassen.

Remote Management System für Edge-Computer

Wichtig sind bei verteilten Systemen auch umfassenden RAS-Funktionen (Reliability, Availability und Serviceability), die sich mit spezifischen Board Management Controllern (BMC) umsetzen lassen, um für Edge-Devices auch Out-of-Service/Out-of-Band Zugriff auf die Systeme zu ermöglichen. 
So lassen sich letztlich höchst effiziente Fernüberwachungs-, Verwaltungs- und Wartungsfunktionen umsetzen, wie sie auch in kommerziellen Rechenzentren üblich sind, um die Gesamtbetriebskosten (TCO) verteilter Geräte zu optimieren. 

Computer-on-Modules mit integrierten Edge-Funktionen

Congatec bietet auch die neue 11. Generation der Intel-Core-Prozessoren (Codename Tiger Lake UP3) mit hardwarenahem Software-Support an, der bis hin zur passgenauen Auslegung mit maßgeschnittenen Hypervisor- und RTOS/GPOS-Images reicht.

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All diese heterogenen Edge-Funktionen sind bei Computer-on-Modules von Congatec bei Bedarf inklusive. OEM profitieren beim Einsatz solcher Module zudem von einer extrem hohen Skalierbarkeit für eine ideale Ausbalancierung der Performance einer Applikation sowie Closed Loop Engineering. Zudem kommen diese Module als applikationsfertige Plattformen daher, die dem Entwickler immens Zeit sparen gegenüber Full-Custom-Designs, schon was die BIOS/UEFI und BSP-Auslegung für alle Komponenten betrifft. Je nach Applikation fällt deshalb bis zu 90 % weniger Engineering-Aufwand an, wenn fertig entwickelte (Eval-)Carrierboards nur mit wenigen Modifikationen zur Serienreife gebracht werden können. Auch ist es mittlerweile kein Geheimnis mehr, dass Computer-on-Modules die Langzeitverfügbarkeit dedizierter Applikationen sichern, weil nach Abkündigung der Prozessoren funktionsidentische, meist noch deutlich energiesparendere und günstigere neue Module gesteckt werden können; dies ist dem Fortschritt in der Prozessortechnologie zu danken. Doch insgesamt ist zu erkennen, dass eine am Edge zum Einsatz kommende Embedded-Computing-Plattform deutlich mehr bieten muss als dies.

Mehr als nur applikationsfertig

Andreas Bergbauer ist Product Line Manager für COM Express bei Congatec.

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Viel Musik spielt hier im Software-Support inklusive der dazu passenden Carrierboard-Auslegungen: Virtuelle Maschinen, TSN-basiertes Echtzeit OPC UA, Sicherheit und die von der Hardware ausgehend aufgebaute Root-of-Trust, Remote Management auf Serverniveau, Video- und generelle Edge Analytics mit künstlicher Intelligenz. All das bedarf vieler neuer Funktionen, die Embedded Edge Computer über ihre inhärente Computing-Performance und Schnittstellen und über den OS-Support hinaus unterstützen müssen. Deshalb ist es gut, dass sich Embedded-Computing-Lieferanten um diese hardwarenahen Aufgaben kümmern – auch ohne in Cloud-nahe Bereiche abzudriften, für die es spezifische IT- und Cloud-Spezialisten gibt. Die für OEMs arbeitenden Applikationsentwickler erhalten so bedarfsgerechte Lösungsplattformen, die alle neuen IIoT-getriebenen Edge-Funktionen – die zunehmend zum Standard für Embedded Edge Computer in der Industrie werden – aus einer Hand beziehen können. Nur so gelingt es, dass sie sich voll und ganz auf die Entwicklung ihrer neuen Applikationen konzentrieren können und nicht mit Belangen kämpfen müssen, die heute ein jeder Embedded Edge Computer bieten sollte. Solche applikationsfertigen Plattformen schätzen übrigens zunehmend  Managementberatungs-, Technologie- und Outsourcing-Dienstleister. Neue Geschäftsmodelle fördern demnach entsprechend andere Kundenzielgruppen für Embedded- Computer-Technologie zutage.