Verschiedene Bausteine, nur ein System

Bild 1: Der conga-zones Hypervisor, der auf dem COM läuft, separiert die unterschiedlichen Software-Domänen voneinander und bildet die jeweiligen Anforderungen in eigenständigen Partitionen, sogenannten virtuellen Maschinen (VM), gezielt ab. © Congatec

Wie sich dieses Architekturprinzip in der Praxis realisieren lässt, verdeutlicht Congatec mit einer Beispielapplikation zur Systemkonsolidierung (Bild 1). Die Applikation integriert eine Echtzeitsteuerung, HMI-Funktionen, IoT-Konnektivität über ein Gateway sowie KI-Funktionen, beispielsweise für Embedded-Vision-Anwendungen. Die Echtzeitkommunikation mit anderen, verteilten Systemen erfolgt idealerweise via Time-Sensitive Networking (TSN) oder dedizierte Echtzeit-Layer wie EtherCAT. Das ist zum Beispiel in Fertigungszellen wichtig, wo verschiedene Applikationen koordiniert aufeinander abgestimmt sein müssen.

Bild 2: Ein Hypervisor partitioniert eine Hardware in verschiedene virtuelle Maschinen (VMs) mit deterministischer Leistung. © Congatec

Der Hypervisor erzeugt und verwaltet die einzelnen virtuellen Maschinen beziehungsweise Zonen und weist ihnen die verfügbaren Hardware-Ressourcen so zu, dass jede Instanz exklusiv über ihren definierten Anteil verfügen kann. Hierdurch bleiben die Zonen strikt voneinander isoliert und beeinflussen sich im Betrieb nicht gegenseitig. Auch im Fehlerfall erhöht diese Partitionierung die Robustheit der Gesamtapplikation: Fährt eine Zone herunter oder fällt sie aus, bleiben die anderen Zonen weiterhin stabil und funktionsfähig (Bild 2).

Genau diese Aufgabe übernimmt der conga-zones Hypervisor. Er ist ein Type-1-Bare-Metal-Echtzeit-Hypervisor und läuft direkt auf der eingesetzten Hardware ohne zugrundeliegendes Host-Betriebssystem. Seine Besonderheit ist, dass er dem System keine zusätzlichen Latenzen hinzufügt. Der Determinismus der Echtzeitanwendungen bleibt dank direkter Hardware-Zuteilung voll erhalten. Das macht den conga-zones Hypervisor zum Echtzeit-Hypervisor.

Echtzeit auch bei der Kommunikation

Die einzelnen Zonen oder virtuellen Maschinen können dabei auf zwei unterschiedliche Arten Daten untereinander austauschen. Zum einen über ein virtuelles Netzwerk. Hierzu lassen sich im Hypervisor individuell Ethernet-Kanäle für die Intrasystem-Kommunikation definieren. Die Applikationen können diese ohne jegliche Anpassung nutzen. Für große Datenmengen und eine hohe Bandbreite empfiehlt sich der Datenaustausch über Shared-Memory. Diese, von Congatec zum Patent angemeldete Technik des conga-zones Hypervisor, definiert einen Bereich im Arbeitsspeicher, in den die Programme Daten schreiben und auslesen können.

Für die synchronisierte Intersystem-Kommunikation unterstützt der conga-zones Hypervisor sowohl TSN als auch andere Echtzeit-Netzwerke wie EtherCAT, sofern ein entsprechender Controller installiert ist. So geht die Trennung nicht zu Lasten der Echtzeitkommunikation mit anderen externen Systemen, zum Beispiel bei synchronisierten Fertigungszellen mit mehreren Robotern.

Software-Ökosystem kombiniert COM, Virtualisierung und Betriebssystem

Bild 3: Das aReady.COM Ökosystem von Congatec bringt Computer-on-Module, Virtualisierung, Betriebssystemintegration und Kommunikationsanbindung als Gesamtkonzept zusammen. Das reduziert Integrationsaufwand, verkürzt die Markteinführungszeit und verbessert Skalierbarkeit, Wartbarkeit und Systemsicherheit. © Congatec

Besondere Vorteile ergeben sich für Entwickler, wenn sich diese nicht um die Grundlagen der Systemkonsolidierung kümmern müssen, sondern diese Aufgaben an erfahrene Embedded-Partner auslagern können. Hierfür braucht es neben der richtigen Hardwareplattform ein konsistentes Zusammenspiel aus Hypervisor, Betriebssystem und Applikationssoftware. Hierfür bietet Congatec applikationsfertige Hardware- und Software-Komponenten über sein Software-Ökosystem ‚aReady.COM‘ an, das dabei COM, Virtualisierung, Betriebssystemintegration und IoT-Kommunikationsanbindung als Gesamtkonzept konsolidiert. (Bild 3).

Ein zusätzlicher Vorteil liegt in der Skalierbarkeit durch den COM-Ansatz: Möchte ein Entwickler seine Applikation erweitern, etwa um zusätzliche Kommunikationsprotokolle, neue Analysefunktionen oder angepasste Bedienkonzepte, muss er keine neue Hardwarearchitektur aufsetzen. Stattdessen lässt sich die Plattform softwareseitig weiterentwickeln.

Hardwareseitig reicht es in vielen Fällen aus, das eingesetzte Modul zu wechseln, während die übrige Systemarchitektur unverändert bleibt. Das vereinfacht Upgrades und verkürzt Entwicklungszeiten.

Basis für konsolidierte Echtzeit- und KI-Systeme

Bild 4: Das COM Express Type 6 Computer-on-Module conga-TC1000 mit Intel Core Ultra Series 3 Prozessoren (Codename: Panther Lake) stellt hohe CPU-, Grafik- und KI-Performance auf einem kompakten Modul zur Verfügung. © Congatec

Ein modernes x86-SoC macht die Systemkonsolidierung insbesondere dann attraktiv, wenn neben klassischen Automatisierungsfunktionen auch KI-Workloads lokal auszuführen sind. Mit den ‚Intel Core Ultra Series 3‘-Prozessoren (Codename: Panther Lake) steht dafür auf dem conga-TC1000 eine x86-basierte SoC-Plattform bereit, die eine hohe CPU-Leistung sowie integrierte Grafik- und KI-Beschleunigung mit bis zu 180 TOPS in einem Baustein zusammenführt (Bild 4).

Das conga-TC1000 unterstützt bis zu 128 GB DDR5 mit bis zu 7200 MT/s – für ein KI- und Echtzeitsystem ein relevantes Differenzierungsmerkmal. Denn Speicherbandbreite ist ein entscheidendes Bottleneck für Inferenz-Workloads. Zur Kamera- und Sensoranbindung bietet das Modul zudem zahlreiche PCIe-Schnittstellen und USB4-Unterstützung, mit der zum Beispiel für das Maschinensehen notwendige, hochauflösende Kameras einfach und mit hoher Datenrate angebunden werden können. Die Hardwarebasis ist damit nicht nur ein Enabler für KI- und Echtzeitfunktionen, sondern auch für eine deutlich schlankere Gesamtarchitektur. Zugleich vereinfacht das Konsolidieren die gesamte Systemintegration vom Gehäuse über Verkabelung und Energieversorgung bis hin zu Wartung und Updates.

Der Autor: Timo Kühn ist Senior Product Manager R&D bei Congatec. © Congatec

Zudem lassen sich Security- und Compliance-Anforderungen gezielt adressieren, wenn Hypervisor, Software-Stack und Hardwareplattform direkt vorkonfiguriert, lizenziert und installiert sind. Hierfür sind die Entwicklungs- und Supportprozesse bei Congatec nach IEC 62443-4-1 zertifiziert. Der conga-zones Hypervisor erfüllt als Software für die Automatisierung die IEC 62443-4-2. Er unterstützt dafür Funktionen wie Secure Boot über den eigens entwickelten conga-zones Bootloader, isolierte Sicherheitsdomänen sowie eine Secure-by-Default-Konfiguration mit expliziten Berechtigungen. Durch dieses konsequente "Security-by-Design" bereitet Congatec den Weg für die Konformität zum CRA. Unternehmen können so komplexe Cybersecurity-Vorgaben effizienter erfüllen und sich stärker auf ihre Kernapplikation konzentrieren.

Zukunftsfähige Architektur für Automationsanwendungen

Mit dem conga-TC1000 und dem conga-zones Hypervisor wird gezeigt, wie sich Systemkonsolidierung in der Praxis umsetzen lässt: Ein x86-basiertes Computer-on-Module übernimmt alle zentralen Funktionen – sauber partitioniert, echtzeitfähig und Security-by-Design. Durch Systemkonsolidierung lassen sich zudem beim Aufkommen neuer Anforderungen oder Technologien neue Funktionen über die Installation einer weiteren virtuellen Maschine hinzufügen, ohne das Gesamtsystem neu entwickeln zu müssen. Hardwareseitig können durch einen einfachen Modultausch neue Funktionalitäten integriert werden. So lässt sich die Applikation zum Beispiel um leistungsfähige, prozessorintegrierte KI-Beschleuniger aufrüsten. Anders als bei Board-Designs ist das auch über Prozessorgenerationen hinweg möglich. So entsteht eine kompakte, zukunftsfähige Architektur für industrielle Automationsanwendungen. 

Redaktion: Andrea Gillhuber