CoM: Alles beginnt mit der Optimierung der Systemkonfigurationen

Die Cores pro Prozessor und die Kosten pro Core sind zwei Variablen, die sich umgekehrt proportional zueinander verhalten: Eine hohe Coreanzahl kann zu geringeren Kosten führen, wenn verschiedene Aufgaben auf einer Edge-Computing-Plattform konsolidiert werden. Reduziert sich dadurch die Anzahl der verteilten Embedded-Systeme, lassen sich effektiv Kosten sparen. Erforderlich sind jedoch zur Applikation passend skalierbare Cores und virtuelle Maschinen. Und genau an dieser Stelle kommen Computer-on-Modules ins Spiel: Gepaart mit einem Echtzeit-Hypervisor helfen sie Entwicklern, diese Balance exakt auszutarieren.

Durch die Digitalisierung sowie den IIoT- und Industrie-4.0-Trend haben Embedded-Systeme in Geräten, Maschinen, Robotern, Fahrzeugen und Anlagen eine immer größere Zahl von Aufgaben zu bewältigen. Sie erfüllen jetzt nicht mehr nur ihre ureigene Kernfunktion. Sie fungieren vielmehr auch als dynamische und komplexe Kommunikationssysteme, die zudem hoch sicher auszulegen sind, um Vertraulichkeit und Sicherheit zu gewährleisten – insbesondere im Hinblick auf Kennzahlen und IP-Diebstahl sowie Sabotage. Aufgrund ihrer grundlegenden Fähigkeit, Arbeitslasten effizient orchestrieren zu können, werden die eingebetteten Systeme also zunehmend zu echten Multifunktionssystemen.

Einzelaufgaben in Container implementieren

State-of-the-Art ist es im IT-Sektor heute, die daraus entstehenden Einzelaufgaben in Containern zu implementieren, die oberhalb des Host-Betriebssystems eine Kapselung ermöglichen, sodass der Zugriff auf diese Funktionen sauber eingestellt werden kann. Damit werden aber längst nicht alle Anforderungen erfüllt. Häufig ist nämlich auch ein Echtzeitsystem parallel zu den nicht besonders zeitkritischen Aufgaben gefordert. Und dies muss in Echtzeit parallel zur echtzeitkritischen Kommunikation mit anderen Echtzeitsystemen kommunizieren können. Idealerweise geschieht dies über Time Sensitive Networking (TSN) und kann dank TSN over 10BaseT1L bis hin zum dezentralen Sensor oder Aktuator reichen. Speziell für große Fabriken und vor allem auch die Prozessindustrie ist diese IP-basierte Echtzeitvernetzung äußerst interessant, da über die Zweitdrahtleitung selbst Kilometer entfernte Devices per IP-Protokoll angebunden werden können. Damit erfolgt die Kommunikation „over IP“ standardisiert, in Echtzeit und barrierefrei. Die Daten dieser Devices laufen dann IIoT-konform ebenfalls in den Edge-Servern auf und können beispielsweise in passenden Containern für Big-Data-Analytik bereitgestellt werden. Auf diese Weise müssen die Rohdaten nicht mehr in die Cloud übermittelt werden und es kann etliches an Analytik direkt vor Ort erfolgen. Das gilt auch für viele andere Aufgaben, die durch die Digitalisierung und Vernetzung entstanden sind.

Was mit Containern jedoch nicht geht, ist Echtzeitanwendungen von anderen Rechenprotzessen zu separieren, sodass sie dadurch unter keinen Umständen gestört werden. Hierfür sind spezielle Echtzeit-Hypervisoren nötig, wie der RTS-Hypervisor von Real-Time Systems, den Congatec auf allen seinen passenden Computer-on-Modules bereits funktionsvalidiert als Standard-Option anbietet.

Über die flexibel skalierbaren Multi-Core-basierten Computermodule kann die Anzahl der für die Applikation nötigen Rechenkerne punktgenau ausgewählt werden. Schlussendlich könnte – rein theoretisch – jeder Kern seine eigene virtuelle Maschine betreiben, indem ein eigenes Betriebssystem gehostet wird, das eigenständig booten kann. Solche Lösungen sind bereits ab einem Dual-Core-System möglich. Durch die Investition in Designs, die auf Computer-on-Modules basieren, können OEMs daher die Anzahl der Kerne jederzeit anpassen und das Embedded-System selbst bei steigenden Anforderungen weiter erfolgreich betreiben, indem sie lediglich das Computer-on-Module austauschen.

Entwicklungskits für Workload-Konsolidierung

Das von Congatec und Real-Time Systems entwickelte benutzerfreundliche Workload-Konsolidierungs-Kit ist für solche hohe Skalierbarkeit ausgelegt und hilft Anwendern, Hürden beim Einstieg in modulare Edge-Server zu vermeiden. Diese serienreifen, Intel-zertifizierten Kits sind auf die Anforderungen der neuesten autonomen Multitasking-Fahrzeuge und visionbasierten kollaborativen Roboter- und Automatisierungssteuerungen zugeschnitten. In Verbindung mit einem COM-Express-Type-6-Modul von Congatec, bestehend aus einem Intel-Xeon-E2-Prozessor und drei virtuellen Maschinen, ist die einsatzbereite Plattform in der Lage, eine Systemanwendung neu zu booten, während die Echtzeitanwendung auf einer anderen virtuellen Maschine unbeeinflusst weiterläuft. Mit einem unter Windows gehosteten Hypervisor oder mit Containerlösungen wären solche Lösungen nicht möglich.

Kompatibilität mit zeitkritischen Netzwerken

Da die Echtzeitverarbeitung auch im Kontext taktiler Internetanwendungen aufgrund von 5G-Technologien und 10+-GbE-Netzwerken immer wichtiger wird, haben die Entwickler daran gearbeitet, dass das Kit auch Time Sensitive Networking unterstützt. Time Aware Shaping (TAS), virtuelle LANs über Ethernet (IEEE 802.1q) und Echtzeitsynchronisation über das Precision Time Protocol (PTP) sind nur einige der vielen Standards, die die TSN-Technologie erfüllt. Das Precision Time Protocol verwaltet die Koordination zwischen den Knoten auf Grundlage einer von einem Master festgelegten Taktzeit. So wird eine hochpräzise Synchronisation im zweistelligen Nanosekundenbereich möglich. Die mit Zeitstempeln versehenen Pakete werden dann entsprechend ausgegeben. Dadurch können sich PTP-Netzwerke mit der gleichen Präzision synchronisieren. Kommt ein 1219-Intel-Ethernet-Controller zum Einsatz, ist keine zusätzliche dedizierte Hardware oder proprietäre Anwendung erforderlich, da die Synchronisation ausschließlich über dieses standardisierte Bauteil erfolgt. Das Kit zur Echtzeit-Konsolidierung von Workloads kann direkt bei Congatec oder im Intel Marketplace bestellt werden.