Flexible Motherboards für industrielle High-Performance-Applikationen

Die aktuell leistungsstärksten Embedded-x86-Prozessoren für industrielle Workstations und Systeme mit hohen Anforderungen an die Bilddatenverarbeitung und Visualisierung gibt es derzeit bei Intel. CPU und GPU der Intel-Core-Prozessoren der siebten Generation (Codename Kaby Lake) haben im Schnitt eine um zehn Prozent bessere Performance pro Watt im Vergleich zur Vorgängergeneration (Codename Skylake) und eine sehr gute hardwarebeschleunigte 3D-Grafik. Diese erstellt und verarbeitet beispielsweise 4K-Videos rund acht mal schneller als vergleichbare Vorgängersysteme. Insbesondere industrielle und medizinische Bildverarbeitungssysteme profitieren deutlich von dieser neuen Prozessortechnologie, ebenso die vielen neuen Applikationen, die Situational Awareness benötigen, wie beispielsweise kollaborative Robotik und autonome Fahrzeuge.

Congatec liefert für seine COM-Express-Module auch passende passive und aktive Kühllösungen, die über alle Prozessorvarianten hinweg skaliert werden können. Congatec

Eine weitere Option sind die Intel-Xeon-Prozessoren der E3-V6-Familie. Sie bieten zusätzlich ECC-Speicherschutz, was das Anwendungsfeld auf datenkritische Server- und Gateway-Anwendungen erweitert. Anwendungen finden sich sowohl in industriellen IoT- und Cloud-Servern mit Big-Data-Analytik, in Edge-Node-Servern auf Carrier-Niveau als auch in vernetzten Industrie-4.0-Automatisierungsservern, die mehrere virtuelle Maschinen hosten sollen, oder in leistungsstarken Medien-Servern mit Echtzeit-Video-Transcoding mehrerer Streams.

Die TDP ist entscheidend

Beide Applikationsfelder stellen äußerst hohe und konstant steigende Anforderungen an die Performance. Zugleich unterliegt das Thermaldesign oftmals Beschränkungen, sodass nicht immer die leistungsfähigsten Prozessoren einsetzbar sind, sondern immer nur die, die in das Thermaldesign des Systems passen. Das sind in den High-End-Bereichen des Embedded-Computings zumeist 35 bis 45 W. 15 W wären besser, da sie in der Regel die Grenze sind, bis zu der sich lüfterlose und damit komplett geschlossene Designs mit hoher MTBF (Mean Time Between Failures) umsetzen lassen. Insofern ist die Auslegung von High-End-Embedded-Computer-Systemen immer ein Balancieren an thermisch gerade noch umsetzbarer Performance-Maximierung. Jede Verbesserung der Performance bei gegebener TDP (Thermal Design Power) ermöglicht neue platzsparendere und kostengünstigere Systemauslegungen. Deshalb ist ein Blick nach vorne für die meisten Systemdesigner ein Muss. Doch was steht zu erwarten?

Thema der nächsten Seite: Neue Performance-pro-Watt-Sprünge in Sichtweite

Das Mini-ITX-Motherboard ist in Kombination mit allen aktuellen und kommenden Congatec-COM-Express-Type-6-Performance-Modulen verfügbar. Congatec

Üblicherweise lassen sich die Hersteller zwar offiziell nicht in die Karten schauen, doch lassen die bisherigen Takte für neue Produkte erwarten, dass beispielsweise von AMD recht bald eine neue High-End-Embedded-Computing-Generation verfügbar sein wird. Diese verspricht deutliche Performance-Gewinne, da die Leistungen im kommerziellen Segment überzeugend sind.

So bietet der neue AMD-Ryzen-5-1600X-Prozessor bis zu 87 Prozent mehr generische Verarbeitungsleistung im Vergleich zum Intel-Core-i5-7600K-Prozessor. Performance-hungrige Rendering- und Video-Transcoding-Dems auf Basis von Blender und Handbrake zeigen, dass eine AMD-Ryzen-Octacore-CPU bei vielen komplexen, kreativen Aufgaben das Leistungsniveau des Intel-Core-i7-6900K-Prozessors – ebenfalls ein 8-Core, 16-Thread-Prozessor – erreicht oder gar übertrifft. Der 140W-TDP-Core i7-6900K lief dabei mit seinem Werkstakt und -boost gegenüber dem deutlich genügsameren 95-Watt-TDP-Ryzen-Prozessor mit 3,4 GHz ohne Boost.

Aber auch Intel wird aller Voraussicht nach im kommenden Jahr mit neuen Generationen auf den Markt kommen, denn der schnelle Wechsel von der sechsten auf die siebte Generation war im Januar 2017 und die aktuell achte Generation der Prozessoren ist bereits für den Consumermarkt verfügbar. Sie zeichnet sich gegenüber ihren Vorgängern durch eine erneute Performance-pro-Watt-Steigerung aus und eine im Vergleich zu AMD-Prozessoren bessere Single-Thread-Performance. Dadurch sind sie für Applikationen prädestiniert, die zwar High-End benötigen, aber kein paralleles Multiprocessing ausführen müssen. So bieten die neuen Intel-Core-U-Serie-Prozessoren der achten Generation als Quadcore-Prozessoren 40 Prozent Produktivitätssteigerungen gegenüber der siebten Generation der Intel-Core-U-Prozessoren, die nur als Dualcore-Varianten erhältlich sind. In der 15-Watt-Klasse stellt dies einen enormen Performance-Sprung dar. Die Erwartungen sind groß. Wie adressieren Embedded-Entwickler diese Performance-Gewinne am erfolgversprechendsten im Jahr 2018?

Sprungbrett für Performance- und TDP-Sprünge

Congatec stellt mit dem conga-IT6 ein für High-End-Applikationen ausgelegtes Embedded-Motherboard im Mini-ITX-Formfaktor vor, das mit seinem COM-Express-Typ-6-Steckplatz eine hohe Skalierbarkeit über alle passenden Embedded-Prozessorsockel bietet. Anwender können damit ihre Applikationen über sämtliche relevanten Prozessorgenerationen und Herstellergrenzen hinweg stets auf dem neuesten Stand des Embedded-High-End-Computings halten. Diese Skalierbarkeit ermöglicht flexible High-End-Performanceklassen von Intel-Core-i7- und Intel-Xeon-E3-Prozessoren sowie von zukünftigen Designs – beispielsweise auf Basis der AMD-Zen-Architektur oder der noch voraussichtlich in diesem Jahr ebenfalls kommenden Embedded-Varianten der Intel-Core-Prozessoren der 8. Generation. Das neue Embedded-Motherboard erhöht zudem den Langzeitnutzen eines Mini-ITX Motherboard-Designs, da auch die aktuellen Prozessoren irgendwann abgekündigt werden. Neue Prozessorbestückungen lassen sich dann nach Ablauf der Langzeitverfügbarkeit, die bei Congatec in der Regel zehn Jahre plus X beträgt, sehr einfach durch neue Module ohne Boardwechsel aktualisieren.

Zwar ist das Motherboard speziell für den High-End-Sektor konzipiert. Grundsätzlich unterstützt es jedoch alle Prozessoren, die auf COM-Express-Type-6-Formfaktor verfügbar werden. Aktuell reicht die Performance-Range vom Intel-Atom-, Celeron- und Pentium-Prozessor (Baytrail E3815) über die AMD-Embedded-G- und R-Series bis hin zu Intel-Core-i7- und Xeon-E3-Prozessoren der 7. Generation. Mit letzteren bietet das neue Embedded-Serverboard eine äußerst leistungsfähige Mini-ITX-Bestückung, die als langzeitverfügbare Plattform bislang von keinem anderen Embedded-Computing-Hersteller angeboten wird. Insgesamt können Kunden unter elf unterschiedlichen Bestückungsvarianten wählen.

Darüber hinaus ist die modulare Mini-ITX-Plattform ein guter Ausgangspunkt für kundenspezifische Mini-ITX-Designs, da der Embedded-Design & Manufacturing-Service von Congatec nur noch das existierende Mini-ITX-Board anpassen und die applikationsfertigen off-the-shelf Computer-on-Modules einbinden muss. Dies reduziert die Time-to-Market und die Kosten für kundenspezifische Mini-ITX-basierte Plattformen. Neben diesen COM-Express-basierten Mini-ITX-Motherboards bietet Congatec auch weiterhin das Standardproduktportfolio an industriellen Mini-ITX-Boards mit gelöteten Prozessoren an.

Auf der nächsten Seite wird das Featureset im Detail beschrieben

Das industrietaugliche Mini-ITX-Motherboard conga-IT6 für COM-Express-Typ-6-Module kombiniert klassische Embedded-Schnittstellen mit Leistungsmerkmalen aus der IT-Welt, die selbst die Anforderungen von leistungshungrigen Grafik-Workstations und Mini-Servern erfüllen. Für High-Performance-Grafikkarten und GPGPUs steht ein PCIe-Graphics-Slot zur Verfügung, der je nach Modul bis zu 16 Lanes anbindet. Für weitere Peripherie stehen 4 × USB sowie ein miniPCIe Port bereit. Monitore können über 2 × DP, 2 × HDMI sowie über eDP, LVDS und VGA angebunden werden. 2 × 1 GbE mit einem dedizierten Intel-i211-Netzwerkcontroller sowie ein Micro-SIM-Slot bieten flexible Vernetzungsoptionen. Für Speichermedien gibt es 2 × SATA Gen3 sowie einen microSD und M.2-Typ-B-Sockel, der das schnelle Intel Optane Memory unterstützt. An Embedded-Interfaces führt das Motherboard 4 × COM (232/422/485), 1 × GPIO, 1 × I²C-Bus aus. Die Stromversorgung erfolgt über externe und interne Weitbereichseingänge (12 bis 24 V_DC) und mit Smart-Battery-Support sind sogar batteriebetriebene mobile Applikationen möglich. Ein umfangreiches Angebot an Zubehör – wie I/O-Blenden, Kabelsätze und Videoadapter – steht zum einfacheren Design ebenfalls zur Verfügung.

(ah)