Eckdaten

Immer mehr SoC-FPGA-Plattformen stehen für die Industrie 4.0 bereit. Eine SoC-Architektur bietet Vorteile hinsichtlich Preis, Gesamtkosten über der Laufzeit, Skalierbarkeit und Schutz für die Investitionen des Kunden. Bei der Zusammenarbeit mit einem branchenkundigen SoC-FPGA-Anbieter wie Intel PSG profitieren Hersteller von den zusätzlichen Time-to-Market-Vorteilen, wie sie durch fertige Lösungen und Referenzdesigns ermöglicht werden.

Seit ihrer Einführung haben sich speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) von einfachen I/O-Controllern zu komplett prozessorbasierten Systemen entwickelt, die komplexe Steueralgorithmen ausführen. Ebenfalls vergrößert hat sich der Umfang der Funktionen. Neben diskreten Steuerungsfunktionen stehen nun integrierte Funktionen wie eine Mensch-Maschine-Schnittstelle (HMI), Antriebssteuerung, Echtzeit-Industrial-Ethernet und Datenkommunikations-Gateways zur Verfügung.

Die Nachfrage nach zusätzlichen Funktionen, Präzision und Datenanbindung in der Fertigung sorgt für diese zunehmende Integration. Gestützt wird dies durch die geringeren Kosten für die SPS-Komponenten und immer leistungsfähigere Prozessoren. In den letzten zehn Jahren hat sich die Zahl der zu steuernden Achsen pro Maschine deutlich erhöht. Bild 1 beschreibt diese Zunahme im Zusammenhang mit der CPU-Belastung. Bei einer zentralisierten Steuerung, in der der Hauptcontroller sämtliche Rückkopplungsschleifen kontrolliert, teilen sich alle Achsen (und andere diskrete I/Os) die Rechenleistung. Dieser Aufbau begrenzte die Leistungsfähigkeit und Flexibilität. Mehr Achsen erforderten schnellere Update-Zyklen und führten zum Einbau schnellerer, teurer Prozessoren mit einem hohen Stromverbrauch.

Energieverbrauch und Platzbedarf

Da der Energieverbrauch und der Platzbedarf in der Fertigung eine wichtige Rolle spielten, verzichteten die Hersteller auf große Steuerungssysteme mit mehreren Prozessoren und verwendeten wieder zentralisierte Steuerungen. Damit konnten zwar die Platzprobleme und hohen Kosten beseitigt werden – es waren aber neue Technologien erforderlich, um die Leistungsengpässe der einzelnen Prozessoren zu umgehen. Dies hatte anfangs zu verteilten Steuerungsarchitekturen geführt.

Prozessor und FPGA

Die Hersteller versuchten, die Performance-Probleme mit einem neuen Ansatz zu lösen: durch die Kombination von Prozessoren und FPGAs. Der Prozessor führte Standard-Steuerfunktionen aus (Gateway, diskrete I/Os und HMI), während das FPGA die restlichen Funktionen (vor allem die Antriebssteuerung) übernahm. Tabelle 1 beschreibt frühere Beispiele aus der Praxis.

Probleme beim hybriden Prozessor- und FPGA-Ansatz

Die hybride Prozessor- und FPGA-Architektur löste das Performance-Problem. Trotzdem war der Stromverbrauch der schnelleren Prozessoren immer noch sehr hoch. Ein weiterer Nachteil waren die hohen Kosten für die sehr leistungsfähigen Prozessoren und das zusätzliche FPGA.

Zudem sorgte die übliche 5-jährige Lebensdauer von Prozessoren für Lebenszyklus-/Lieferprobleme. Bei industrieller Ausrüstung beträgt die typische Lebensdauer sieben bis zehn Jahre und ist daher mit der 5-jährigen Lebensdauer von Prozessoren nicht kompatibel. Diese Inkompatibilität führte zu Problemen bei einer Abkündigung, was die Entwicklung neuer Algorithmen verzögerte. Wurde ein Prozessor abgekündigt, hatten Entwickler enorme Schwierigkeiten bei der Umgestaltung bestehender Ausrüstung.

Auch führte der hybride Ansatz zu einem begrenzten Schutz der getätigten Software-Investitionen. Es gab keine Garantie, dass ein Ersatz-Prozessor vom gleichen Hersteller stammt. Daher entwickelte sich die Roadmap-Skalierbarkeit zu einem erheblichen Problem. Etwa 80 % der Hersteller verzeichneten Verzögerungen in der Entwicklung und nur zirka 30 % der Projekte erreichten ihre vorhergesagten Stückzahlen, da ein verspäteter Markteintritt erfolgte.

Große SPS-Hersteller stehen vor folgenden Herausforderungen: die Entwicklungszyklen werden kürzer, die Time to Market wird immer kritischer und die Ausrüstung muss mehr deterministische I/O-Informationen bereitstellen. Zu den weiteren Faktoren zählen ein hoher Kostendruck, die Nachfrage nach skalierbaren hochleistungsfähigen Anwendungen und eine Software-Entwicklung, mit der sich die Produktdifferenzierung fördern lässt.

Das Industrie-4.0-Paradigma

Im Zeitalter von Industrie 4.0 werden hochleistungsfähige SPS-Architekturen mit sicherer Datenanbindung an das Unternehmensnetzwerk und eine HMI verlangt. Heute vertrauen mehrere internationale Industrie-4.0-Initiativen auf Cyber-Physical-Systeme, um Smart Manufacturing zu verwirklichen, das auf vernetzten Systemen für die M2M- (Machine-to-Machine) und unternehmensweite Kommunikation basiert. Zu den größten Herausfordern für die SPS-Entwickler zählen heute:

  • Hochleistungsfähige Steuerung – Smart-Manufacturing-Umgebungen erfordern eine SPS-Architektur, die Befehle und Service-Interrupts sowie die Eingaben über eine integrierte HMI noch schneller als zuvor verarbeitet. Dies führt zum Einsatz leistungsfähigerer Prozessoren mit höherer MIPS-Zahl und mehreren Cores, was aber hohe Kosten und einen hohen Stromverbrauch mit sich bringt.
  • Datenanbindung – Eine deterministische M2M-Vernetzung zwischen unterschiedlichen Maschinen erfordert die Unterstützung verschiedener Industrial-Ethernet-Protokolle (einschließlich des neuen standardbasierten deterministischen Ethernets IEEE 802.1 TSN) innerhalb eines SPS-Systems. Die Vernetzung innerhalb von Unternehmen setzt Anwendungsinteroperabilität voraus. Lösungen wie OPC-UA helfen dabei.
  • Sichere Kommunikation – SPS-Systeme, die mit Netzwerken außerhalb der Fertigung und mit dem Unternehmen verbunden sind, sind anfällig für Cyber-Attacken. Dies stellt ein Sicherheitsproblem dar.
  • Plattformübergreifende Interoperabilität – Die Wahl des falschen Prozessors oder ASSP kann ein teurer Fehler sein. Funktionale Interoperabilität zwischen verschiedenen Systemen erfordert standardisierte Betriebssysteme, die auf nicht-proprietären Prozessoren laufen.
  • Zukunftssicher – Die zunehmende Vernetzung und Interoperabilität ändert die Marktanforderungen dauerhaft. Dies führt zu Software- und Hardware-Änderungen.

Darüber hinaus bestehen folgende Herausforderungen weiterhin: Skalierbarkeit, funktionale Sicherheit, geringer Stromverbrauch, weniger Platzbedarf und Schutz der Software-Investitionen.

System-on-Chip-FPGAs

System-on-Chip (SoC) -FPGAs, die einen Prozessor und eine FPGA-Fabric auf einem Chip vereinen, bieten eine einzigartige Alternative, um diese Anforderungen zu erfüllen. SoC-FPGAs können die Belastung des Prozessors auslagern, indem hochleistungsfähige Algorithmen und die HMI in die Hardware-Fabric implementiert werden. Im Gegensatz zu sequenziellen Prozessoren sind FPGAs parallel und beschleunigen die Ausführung der Algorithmen. Mit integrierten DSP- und Speicherblöcken bieten FPGAs im Vergleich zu herkömmlichen Prozessoren eine schnellere Hardware-Beschleunigung zu niedrigeren Kosten und einen geringeren Stromverbrauch. Weiterhin sind FPGAs in der Lage, mehrere Industrial-Ethernet-Protokolle gleichzeitig zu bedienen, indem fertige IP-Cores instanziiert werden. Entwickler können Protokolle aktivieren, indem sie den entsprechenden Protokoll-Stack herunterladen, der im integrierten SoC-FPGA-Hard-Prozessor-System (HPS) ausgeführt wird. Das HPS kann auch auf einem OPC-Server laufen und somit die Unternehmenskommunikation über OPC-UA ermöglichen. Entwickler können kommende Standards wie IEEE 802.1 TSN integrieren, indem sie die FPGA-Hardware neu programmieren. Die hochleistungsfähige FPGA-Fabric erfüllt die strengen Timing-Anforderungen nach IEEE 802.1 TSN.

Einen weiteren Vorteil bieten SoC-FPGAs hinsichtlich der sicheren Kommunikation. Im Vergleich zu prozessorbasierten Implementierungen sorgt die in die FPGA-Fabric integrierte Open-SSL-Verschlüsselung für eine 4-fache Beschleunigung. Diese Verschlüsselung ermöglicht schnellere und sicherere Unternehmensnetzwerke. Zudem bieten SoC-FPGAs mit einem integrierten Prozessor eine skalierbare Roadmap mit einem Standardprozessor. Außerdem sind SoC-FPGAs zukunftssicher. Entwickler können die FPGA-Fabric neu programmieren, um Hardware-Änderungen umzusetzen und dabei ein Redesign des gesamten Systems vermeiden.

Weltweiter SoC-Einsatz

Tabelle 2 fasst SPS-Hersteller zusammen, die SoCs in ihren Architekturen im Jahr 2013 eingesetzt haben. Dazu zählen Umwandlungen von Hybrid- in SoC-Architekturen sowie neue Designs auf Basis von SoCs.

Von insgesamt 402 Designs waren 154 neue SoC-Designs oder Designs, die von einer Hybrid- in eine SoC-Lösung umgewandelt wurden. Diese Zahl entspricht in etwa der Gesamtzahl an SPS-Designs, die im Jahr 2013 umgestaltet wurden, was einen Anteil von 38,3 % aller neuen Designs entspricht, die einen FPGA enthalten. Daten aus den Jahren 2014 und 2015 bestätigen diesen Trend, wobei der Anteil an SoC-basierten Lösungen in neuen und umgestalteten Designs weiter steigt.

Vorteile beim Einsatz von SoCs

Hersteller, die SoCs in ihren SPS-Architekturen verwenden, profitieren von folgenden Vorteilen:

  • hohe Leistungsfähigkeit
  • 4600 DMIPS bei weniger als 1,8 W Leistungsaufnahme
  • bis zu 1600 GMACs und 300 GFLOPS auf Basis einer >125-GBit/s-Prozessor-zu-FPGA-Interconnect-Verbindung und Cache-kohärenter Hardware-Beschleuniger
  • geringerer Stromverbrauch – bis zu 30 % weniger im Vergleich zu einer 2-Chip-Lösung
  • kleinere Stückliste und weniger Platzbedarf auf der Leiterplatte – bis zu 55 % kleinerer Formfaktor
  • Skalierbarkeit und Schutz der Investitionen – die skalierbare SoC-Prozessor-Roadmap wächst mit den Applikationsanforderungen und schützt die Investitionen in die Software
  • Flexibilität – SoC-FPGAs eignen sich für Software- und Hardware-Änderungen
  • Schnellere Markteinführung.