Eckdaten

Brandneue CPU-Architekturen oder altbewährtes Design? Der Artikel liefert hilfreiche Argumente für die Entscheidungsfindung und kommt zu folgendem Schluss: Durch die richtige Auswahl von bereits bewährten und langzeitverfügbaren CPU-Architekturen, die als Entwicklungsgrundlage für medizinische Anwendungen prädestiniert sind, wird nicht nur Entwicklungszeit eingespart, sondern es kann auch meist auf eine zuverlässige und ausgereifte Softwareunterstützung aufgesetzt werden. Letztendlich wird das Entwicklungsrisiko deutlich minimiert und bringt einen entschiedenen Vorteil.

Ältere Medizingeräte sind meist noch mit sehr vielen diskreten Bauteilen und mit Ansammlungen von Logik-ICs aufgebaut. Unter Berücksichtigung der in der Medizin gestellten Anforderungen war die Entwicklung von Geräten meist sehr teuer und die Herstellkosten hoch. Zudem war der Platzbedarf, um Schaltungen zu realisieren, enorm groß. Durch die immer bessere Integrationsmöglichkeit von Funktionen in die CPU lassen sich heute viele Anforderungen oft ohne Zusatzaufwand umsetzen.

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123rf.com/Kirill Makarov

Zuverlässigkeit und Langzeitverfügbarkeit

Medizingeräteentwicklungen haben hinsichtlich der sehr aufwendigen und kostspieligen Zulassungen äußerst hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Langzeitverfügbarkeit der eingesetzten Komponenten. Gerade der CPU-Markt hat mittlerweile eine rasante Fahrt aufgenommen. Jedes Jahr locken die CPU-Hersteller mit neuen und kostengünstigeren CPU-Varianten. Diese werden durch die Weiterentwicklung der CPU-Cores sowie durch neue Fertigungstechnologien immer leistungsfähiger, sparsamer im Energieverbrauch und bieten zudem eine Vielzahl von Schnittstellen, die bei der Umsetzung der geplanten Applikation immer noch besser unterstützen. Zudem erleichtern Multicoresysteme, die immer häufiger zum Einsatz kommen, die Skalierbarkeit der Rechenleistung.

Diese Faktoren empfinden auch Entwickler von Medizingeräten zunächst als positiv bei der Auswahl der CPU, um den sich ändernden Anforderungen des Marktes gerecht zu werden. Zeitdruck, Kostenoptimierung des Designs und Erweiterung des Funktionsumfangs gehören zu den größten Herausforderungen jedes Entwicklers, der nach zunehmend härteren Vorgaben des Produktmanagements ein Gerät entwickeln soll. Zudem müssen die Geräte, gleichgültig, ob sie für stationäre oder mobile Anwendungen gedacht sind, auch immer energieeffizienter werden.

Punkte, die es zu beachten gilt

Im Wesentlichen gibt es mehrere Punkte, die man beachten sollte. Zu Beginn einer Entwicklung ist das zunächst der zeitliche Faktor. Bei neuen Technologien locken in erster Linie die vom Hersteller positiv dargestellten neuen Eigenschaften, die der Entwickler gerne nutzen möchte. Die hohe Integration der CPUs verspricht auch auf den ersten Blick einen schnellen und dadurch kostengünstigen Entwicklungsverlauf. Gerade der Einkauf und das Management sind davon oft sehr beindruckt. Ein weiterer Punkt ist der günstigere Preis der neuen CPU-Technologie, der die Einschätzung, die richtige Auswahl getroffen zu haben, noch unterstützt.

Mit dem TQMa335L hat TQ ein kleines rechenleistungsstarkes Minimodul realisiert, das direkt mit dem Basisboard verlötet werden kann. Es basiert auf der ARM-Prozessorfamilie AM335x von TI.

Mit dem TQMa335L hat TQ ein kleines rechenleistungsstarkes Minimodul realisiert, das direkt mit dem Basisboard verlötet werden kann. Es basiert auf der ARM-Prozessorfamilie AM335x von TI.TQ

Hinzu kommt noch das Argument, dass eine neu auf den Markt gekommene CPU länger verfügbar ist als eine CPU, die bereits ein bis zwei Jahre auf dem Markt ist. Meist vergehen bei Entwicklungen zwei Jahre bis ein Produkt serienreif ist. Bei einer CPU, die sich bei Entwicklungsbeginn bereits zwei Jahre auf dem Markt befindet, sind bei Serienstart also bereits vier Jahre vergangen. In der Regel kommen dann schon die ersten Bauteil-Abkündigungen.

Faktoren, die oft vergessen werden

Oft vergessen die Anwender bei der Auswahlbetrachtung jedoch wesentliche Faktoren: Dazu zählt, dass neue Technologien nicht immer positiv für den Entwicklungsverlauf sind. Häufig berücksichtigen sie nicht, dass neue CPUs durch die steigende Komplexität mit „Kinderkrankheiten“ behaftet sind. Bis alle Fehler bekannt sind, vergeht meist bis zu einem Jahr, in dem sich die Entwickler auf die Besonderheiten, die es beim Design mit einer neuen CPU zu berücksichtigen gilt, einstellen können. Dies bringt ein nicht vernachlässigbares Risiko für ein Redesign mit sich. Ein wichtiger Faktor ist auch die zu den Prozessoren angebotene Software. Als Anwender einer kostenoptimierten Entwicklung geht man davon aus, dass die angebotenen Schnittstellen auch von verschiedenen Betriebssystemen je nach Anwendungsfall unterstützt werden. Da die meisten CPU-Errata mit einem Software-Workaround gefixt werden, vergeht meist auch hier noch einiges an Zeit. Bis die Software die Hardware in einem angemessenen Umfang unterstützt, kann man in Abhängigkeit der Komplexität mit bis zu einem Jahr rechnen.

Hoher Entwicklungsaufwand

Da die Stückzahlen bei Medizingeräten für gewöhnlich nicht an die von Consumer-Stückzahlen heranreichen, ist die individuelle Entwicklung jedes Systems aufwendig. Entwicklungskosten können bei einer falschen Entscheidung durch nicht geplante Redesigns und höhere Softwarekosten auf ein Mehrfaches des ursprünglich veranschlagten Wertes steigen. Dies geht dann nicht nur zu Lasten des Produkterfolges, sondern verzögert weiterhin den Markteintritt und beschert Umsatzeinbußen.

Bei der Auswahl der CPU sollte man daher insbesondere darauf achten, dass diese langzeitverfügbar ist. Je länger eine CPU verfügbar ist, desto besser ist auch die Unterstützung der Software bezogen auf die Hardware. Bei der richtigen Vorauswahl lässt sich hier wertvolle Entwicklungszeit einsparen.

Der Einsatz von Modulen spart nicht nur Entwicklungskosten, sondern minimiert auch deutlich das Risiko. CPU-Module sind in der Regel ausreichend qualifiziert und stellen dem Anwender eine stabile Basis bei Hard- und Software zur Verfügung.

Meist kann ein neu entwickeltes Modul in verschiedenen Applikationen eingesetzt und das dabei gewonnene Wissen wiederverwendet werden. Somit fällt der Aufwand für den Entwicklungsprozess und die Basisanpassung für die Software im Unternehmen nur einmal an. Entwicklungsingenieure können sich also auf die systemspezifischen Hard- und Softwareanforderungen konzentrieren.

Gewonnenes Wissen wiederverwenden

Ein Teil der CPU-Hersteller wirbt sogar regelrecht mit Applikationsbeispielen für den Medizinbereich. Hierbei erhält der Anwender Blockdiagramme sowie Application Notes. Für die meisten applikationsspezifischen Schnittstellenanforderungen bieten ihm die Hersteller ebenfalls Lösungsvorschläge an. Diese versprechen eine schnelle Umsetzbarkeit für den Entwickler.

Die Intel-, Power-PC- und ARM-basierenden Modullösungen von TQ machen sich die Vorteile von langzeitverfügbaren Prozessoren zunutze und bieten dem Anwender alle funktionellen Prozessor-Pins für den schnellen und unkomplizierten Entwicklungseinstieg. Zudem stehen für die Module aller Architekturen verschiedene Softwarelösungen mit einer umfassenden Schnittstellenunterstützung sowie verschiedene Grafiklösungen bereit. Ein ausgereiftes Obsoleszenz-Management von TQ sorgt für die notwendige Langzeitverfügbarkeit aller eingesetzten Systemkomponenten.