Bis zur Einführung der Multicore-Technik wurden Leistungssteigerungen primär über die Erhöhung der Taktfrequenz erreicht. Heute wächst die Leistung bei gegebenem Takt vor allem durch die Anzahl der Rechenkerne pro Prozessor, sodass mehr Aufgaben parallel ausgeführt werden können. Bei der achten Generation der Embedded Intel-Xeon- und Intel-Core-Prozessoren wurde nun nochmals an beiden Stellschrauben gedreht: Erstmals gibt es für Embedded-Computer einen 6-Core-Prozessor und erstmals kann dieser zwölf Threads mit bis zu 4,4 GHz verarbeiten.

Das erste 'COM Express Type 6'-Modul mit bis zu sechs Prozessorkernen: Das conga-TS370 mit der Generation 8 der Intel-Embedded-Xeon- und Intel-Core-Prozessoren.

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Mit der Steigerung der Cores und der Taktfrequenz erhöht sich somit die Gesamtrechenleistung beachtlich, was zum Beispiel Vision-Control-Applikationen und Steuerungsrechnern komplexer CNC-Maschinen zugutekommt, ebenso wie Leitwartenrechnern und Monitoringsystemen für vernetzte Fabriken mit Support für bis zu drei unabhängige Displays in 4k. Aber welche Performance-Steigerung haben die Prozessoren genau?

Erste Tests mit Congatecs ‚COM Express Type 6‘-Modulen zeigen, dass diese neuen 6-Kern-Prozessoren im Vergleich zu Varianten mit der 7. Generation der Intel-Core-Prozessoren zwischen 45 und 50 % mehr Multithread- sowie 15 bis 25 % mehr Singlethread-Performance bieten. 

Leistungsstarke Sixpacks

Bei gegebener thermische Verlustleistung (TDP) erzielen Systementwickler damit eine höhere Bandbreite bei insgesamt geringerer Leistungsaufnahme. Dadurch können sie nun High-End-Rechenleistung und Features noch tiefer im Feld installieren und die Funktionalitäten ihrer Applikationen signifikant steigern. Dabei wurde die Mikroarchitektur der Prozessoren der Generation 8 gegenüber der Generation 7 nicht geändert, sondern nur die 14-nm-Fertigungstechnologie nochmals optimiert, was zu geringeren Leckströmen führt und höhere Taktraten erlaubt. Da der Prozessorkern ansonsten nahezu identisch ist, sind auf der Softwareseite keinerlei Anpassungen nötig; das ermöglicht eine nahtlose Migration auf die neueste Prozessorgeneration. 

Schnelle Upgrades möglich

Das Kühlkonzept des COM-Express-Standards ist soweit standardisiert, dass Systemdesigns ohne großen Aufwand mit neuen Modulen vergleichbarer TDP-Klassen bestückt werden können.

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Haben OEM ihre Systemdesigns mit Computer-on-Modules ausgelegt, können sie sie sehr schnell mit dieser Prozessortechnologie bestücken, denn bei gegebener TDP lassen sich Systeme quasi allein durch den Austausch der Module auf das neueste Leistungsniveau heben. Die COM-Express-Type-6-Spezifikation stellt dabei sicher, dass Module identische Abmessungen, Funktionen und Kühllösungen als zukauffertige Superkomponenten bieten, die bereits ein komplettes Board-Support-Package (BSP) mit allen erforderlichen Standard-Treibern umfassen. Spezifikationen für den Aufbau eines Carrier Boards erleichtern es Entwicklern von industrietauglichen Computern zudem, eine auf die eigenen Anforderungen zugeschnittene Systemlösung zu entwickeln. Man geht gegenüber Full-Custom Designs davon aus, dass Entwickler rund 50 bis 90 % des Aufwands sparen, die passende Lösung auf Boardlevel zu entwickeln. Erfüllen Standard-Motherboards also nicht die Anforderungen des Pflichtenhefts beziehungsweise sind sie zu groß, sollten immer Computer-on-Modules eingesetzt werden – Massenproduktionen ausgeschlossen.

Passende Module bietet etwa Congatec. Durch die Akquisition von Real-Time Systems (RTS) – Hersteller eines Echtzeit-Hypervisors für OEM im Bereich der industriellen Steuerungen und der Medizintechnik – können Echtzeit-Steuerungen um zusätzliche Virtuelle Maschinen für die IoT- oder Industrie-4.0-Anbindung ergänzt werden. Die zwei zusätzlichen Cores gegenüber den bislang verfügbaren Quadcore-Lösungen sind für diese zwei Zusatzfunk-tionen geradezu prädestiniert.
 

Mehr Aufgaben? Mehr Kerne!

In der Automatisierung kommt diese Leistungssteigerung aber auch Systemen zugute, die viele unterschiedliche Aufgaben parallel bewältigen und koordinieren müssen. Das sind zum Beispiel Steuerungsrechner für die Robotik, Fer­tigungszellen sowie auch komplexe Verpackungs- und Werkzeugmaschinen. Mit der Multicore-Technologie können beispielsweise einzelne Funktionselemente einer Maschine wie HMI und (Echtzeit-)Steuerung auf einer Embedded Hardware-Plattform betrieben werden, was die Anzahl der Rechnersysteme in einer Maschine reduziert und auf diese Weise Kosten senkt sowie die Ausfallsicherheit erhöht. Im Bereich Motion Control können bei­spielsweise Bewegungsachsen einzelnen Prozessorkernen zugewiesen werden. Der nötige Datenaustausch für die Koordi­nierung der Bewegungsabläufe erfolgt bei derartigen Installationen im System selbst und ist damit viel effizienter, als wenn separate Achsantriebssteuerungen vernetzt würden – zumal bei vernetzten Sys temen Latenzen hinzukommen, die die Präzision einer Maschine verringern  können.

Ein neues, aber dafür boomendes Segment für leistungsfähige Multicore-Systeme stellt zudem der Markt der kollaborativen Robotik dar. Er soll laut Markets und Markets von 2017 bis 2023 mit einer jährlichen Wachstumsrate von sage und schreibe 56,94 % auf ein globales Gesamtvo-lumen von 4,28 Billionen US-Dollar wachsen. Kollaborative Roboter fordern dabei nochmals mehr Computing-Kapazitäten, da sie zusätzlich zu der eigentlichen Steuerung weitere Subsysteme für die Situational Awareness und adaptive Steuerung benötigen. Dies können Systeme wie Lidas und (stereoskopische) Kameras für die Hindernis-Erkennung sowie Subsysteme für die adaptive Steuerung und Wegfindung in mobilen Lösungen sein. Diese Systeme benötigen zusätzliche Recheninstanzen, die über mehr Rechenkerne sehr effizient in die Steuerungssysteme implementiert werden können. 
 

IoT-Vernetzung und Condition Monitoring

Automatisierungs-OEMs wünschen sich zudem mehr Rechenkerne für die IoT- sowie Industrie-4.0-Einbindung und das Condition Monitoring ihrer Maschinen und Anlagen. Spätestens ab hier ist jedoch eine Virtualisierung sinnvoll, um die einzelnen Aufgaben voneinander zu trennen. Können je nach Software die Echtzeit-Steuerungen einzelner Komponenten noch als Multithread-Software auf einer Betriebssystem-Instanz laufen, sollte die Gateway-Funktionalität von den Echtzeit-Steuerungen separiert werden. Auch ein intelligentes Condition-Monitoring lässt sich so effizient integrieren, indem lokale Rule-Engines – beispielsweise über eine Schwingungsanalyse – den Zustand der mechanischen Komponenten auswerten und überwachen. Auch dafür ist mitunter signifikante Rechenleistung nötig. High-End Embedded Systeme für Maschinensteuerungen können entsprechend nie genug Rechenkerne und Rechenleistung pro Kern haben. 
 

Die technischen Eckdaten

Congatec bietet bereits erste Module mit der neuen Prozessoren-Generation: Die neuen Conga-TS370-Module mit Intel-Xeon- und Intel-Core-i7-Prozessoren oder Quadcore-Intel-Core-i5-Prozessoren haben eine TDP von 35 bis 45 W und unterstützen bis zu 32 GByte DDR4 2666 RAM, sodass selbst bei umfassender Virtualisierung mit mehreren virtuellen Maschinen jeder Instanz mehr als ausreichend Arbeitsspeicher zur Verfügung steht. Für sicherheitskritische Applikationen, wie Situational Awareness für kollaborative Roboter, wird optional Error Correction Code (ECC) unterstützt. Zudem zeichnen sich die Module durch ihre bandbreitenstarken I/Os aus. Dazu zählen 4x USB 3.1 Gen 2 (10 Gbit/s), 8x USB 2.0 sowie 1x PEG und 8x PCIe Gen 3.0 Lanes für leistungsfähige Systemerweiterungen. Überzeugend ist daneben die hohe Langzeitverfügbarkeit von mindestens zehn Jahren, der Support von Intel-Optane-Memory-Support sowie die erweiterten Sicherheitsfeatures mit Intel-Software-Guard-Extensions, Trusted-Execution-Engine und Intel-Platform-Trust-Technologie. Die Module unterstützen alle gängigen Linux-Betriebssysteme sowie die 64-Bit-Versionen von Microsoft Windows 10 und Windows 10 IoT.

Autor: Zeljko Loncaric ist Marketing-Engineer bei Congatec.