CPU, GPU & NPU auf einem COM-Express-Modul vereint

Edge-Computing- und Internet of Things (IoT)-Applikationen erreichen einen kritischen Punkt, an dem herkömmliche Hardware-Architekturen nicht mehr ausreichen. Moderne Workloads erfordern eine Mischung aus komplexen Berechnungen, anspruchsvoller Grafik und innovativen Algorithmen der künstlichen Intelligenz (KI). Diese Kombination stößt an die Grenzen herkömmlicher CPUs und zwingt Entwickler dazu, Grafikkarten (Graphics Processing Units, GPUs) und andere Peripheriegeräte hinzuzufügen, um die hohen Systemanforderungen zu erfüllen.

Allerdings steigern diese zusätzlichen Komponenten die Systemkomplexität erheblich. Das treibt die Entwicklungs- und Bauteilkosten in die Höhe, erhöht die Leistungsaufnahme und den Platzbedarf des Systems und erzeugt überschüssige Wärme im System. All diese Faktoren machen den Entwicklungsprozess komplexer und kostspieliger und beeinträchtigen gleichzeitig die Zuverlässigkeit und Skalierbarkeit der Embedded-Applikation.

Intels Meteor-Lake-CPUs, auch bekannt als Core-Ultra-Prozessoren, bieten einen schlanken Ansatz durch die Integration von CPU, GPU (Hochleistungsgrafik) und KI-Beschleunigung über Neural Processing Units (NPUs) in einem einzigen stromsparenden Chipsatz. Der Embedded-Spezialist Adlink Technology implementiert diese Prozessoren auf dem COM-Express-Type-6-Modul cExpress-MTL (Bild 1). Hiermit bietet der Embedded-Hersteller Entwicklern eine hohe Rechen- und Grafikleistung in einem kompakten 28-W-Board, das sich ideal für batteriebetriebene Systeme, Edge-Geräte und Umgebungen, die eine geringe Leistungsaufnahme erfordern, eignet.

Eine Stärke der Meteor-Lake-Prozessoren liegt in ihrer heterogenen Architektur, die CPU, GPU und NPU in einem einzigen Gehäuse integriert. Das hohe Maß an Integration reduziert den Bedarf an zusätzlichen diskreten Beschleunigern. Zudem verbessert die hohe Integrationsdichte die Energieeffizienz und reduziert gleichzeitig die Komplexität des Systems. Aufgrund des Wegfalls von externen GPUs und KI-Beschleunigern verringert die Meteor Lake CPU den Gesamtsystembedarf und vereinfacht das Wärmemanagement, womit kompaktere und effizientere Designs möglich sind im Vergleich zu herkömmlichen CPUs.

Hinsichtlich der Leistungsfähigkeit bieten Meteor-Lake-Prozessoren eine bis zu 1,81-fache Grafikleistung und eine bis zu 1,5-fache KI-Leistung im Vergleich zu den Intel-Core-Prozessoren der 13.Generation. Der Leistungsschub ermöglicht es Entwicklern, ihre Designs besser zu skalieren, um die Anforderungen komplexer Applikationen in Bereichen wie medizinischer Bildgebung, KI-gesteuerter Analytik und Hochleistungs-Edge-Computing zu erfüllen. Verwenden Entwickler das cExpress-MTL-Modul, können sie ihre Systeme aus bestehenden COM-Express-Type-6-Modulen einfach aufrüsten und von den Vorteilen der neuesten KI-Beschleuniger und Intel-Arc-Grafiksätzen profitieren, ohne ihre gesamte Systemarchitektur überarbeiten zu müssen.

Bis zu 32 TOPS KI-Leistung mit Meteor-Lake

Der Core-Ultra-Prozessor integriert Intels Arc-Grafik-Engine, die die Leistung pro Watt (Power per Watt, PPW) im Vergleich zu integrierten GPUs der vorherigen Generation nahezu verdoppelt. Mit bis zu acht Xe-Kernen bietet der Arc-Grafikchip die Leistung eines diskreten Grafikprozessors der Einstiegsklasse, womit in vielen Embedded Designs keine separaten Grafikkarten mehr nötig sind. Für KI-Workloads integriert Meteor Lake drei verschiedene KI-Engines, die unterschiedliche Berechnungsaufgaben bewältigen:

• GPU: liefert bis zu 18 TOPS (Tera Operations per second, Billionen Rechenoperationen pro Sekunde) für die Datenverarbeitung mit hohem Durchsatz
• NPU: bietet 11 TOPS mit einer bis zu 2,56-fach verbesserten KI-Leistung pro Watt im Vergleich zur vorherigen Generation, für maximale Effizienz
• CPU: bietet zusätzliche 3 TOPS für allgemeine KI-Aufgaben

Zusammen bieten diese Engines eine kombinierte KI-Leistung von bis zu 32 TOPS und sorgen für einen hohen Rechendurchsatz und eine hohe Energieeffizienz. Die Architektur macht Meteor Lake zur idealen Wahl für energiesparende Hochleistungsapplikationen mit dem zusätzlichen Vorteil, dass die Energieeffizienz um 30 bis 50 Prozent höher ausfällt als bei Vorgängermodellen.

Medizinische Bildgebungsanwendungen wie Ultraschallgeräte, Dentalscanner und Augenheilkundesysteme, verlassen sich zunehmend auf fortschrittliche KI- und Bildverarbeitungsfunktionen, um Diagnosen in Echtzeit zu liefern. Bisher benötigten diese Geräte separate Grafikkarten und KI-Beschleuniger, um ihre Leistungsanforderungen zu erfüllen. Jedoch erhöhte das die Komplexität, die Kosten der Systeme sowie ihre Größe und ihren Energiebedarf.

Mit der integrierten CPU, GPU und NPU von Meteor Lake können medizinische Bildgebungssysteme hochauflösende Bildverarbeitung und Echtzeit-KI-Analysen auf einem einzigen Chipsatz verarbeiten. Hiermit entfällt zusätzliche Hardware, was den Platzbedarf des Gesamtsystems reduziert, die Zuverlässigkeit verbessert und das Design vereinfacht. Die integrierten KI-Funktionen des Meteor Lake-Chips verbessern ebenfalls die diagnostische Bildgebung in Echtzeit und ermöglichen ein schnelleres und genaueres Erkennen von medizinischen Zuständen wie Tumoren und Gewebeanomalien. Bei der Ultraschall-Bildgebung kann die KI-Engine beispielsweise die Bildrekonstruktion und -verarbeitung verbessern, was zu klaren, detaillierten Bildern führt, die Ärzten bei der Diagnose von Patienten helfen (Bild 2).

In der zahnmedizinischen Bildgebung können KI-Algorithmen bei Aufgaben wie dem Erkennen von Hohlräumen, dem Beurteilen der Knochenstruktur und dem präzisen Planen kieferorthopädischer Behandlungen helfen. In ähnlicher Weise profitieren Geräte für die Augenheilkunde von der Integration fortschrittlicher KI-Modelle, die dabei helfen, Krankheiten wie Glaukom und Makuladegeneration in einem frühen Stadium zu erkennen. Mit der Integration von Meteor Lake in medizinische Bildgebungsgeräte können Hersteller die Wärmeentwicklung reduzieren, die Zuverlässigkeit verbessern und die Lebensdauer ihrer Produkte verlängern, während sie gleichzeitig die Wartungskosten senken.

Einfaches Systemdesign

Das cExpress-MTL von Adlink integriert Meteor-Lake-Prozessoren und andere wichtige Systemkomponenten in einem einzigen, kompakten Gehäuse mit folgenden Hauptmerkmalen:

• Die PCIe-Gen4-Signale für alle Verbindungen gewährleisten ein schnelles Übertragen von Daten und unterstützen zukünftige Upgrades mit Hochleistungs-Peripheriegeräten.
• Eine 2,5-Gigabit-Ethernet (GbE)-Schnittstelle mit der Option für Time-Sensitive Networking (TSN) bietet eine zuverlässige Netzwerkkonnektivität mit geringer Latenz, womit sich das Modul ideal für Echtzeitapplikationen eignet, zum Beispiel im Bereich Automation oder Smart Cities.
• Optional stehen zwei USB-4-Schnittstellen bereit, die Hochgeschwindigkeits-Peripherieanschlüsse ermöglichen und eine breite Palette von Geräten unterstützen.
• Bis zu 96 GB DDR5-Speicher mit In-Band Error Correction Code (ECC)- beziehungsweise Non-ECC bieten einen schnellen Speicherzugriff und eine Fehlerkorrektur und gewährleisten eine hohe Zuverlässigkeit in unternehmenskritischen Applikationen.

Als vorintegriertes Standardmodul reduziert das cExpress-MTL die Designkomplexität, verringert den Platzbedarf des Systems und verkürzt die Zeit bis zur Markteinführung. Für Entwickler, die das COM Express Type 6 Pinout der PCI Computer Manufacturers Group (PICMG) verwenden, bietet das cExpress-MTL einen nahtlosen Upgrade-Pfad, ohne dass ein komplettes System-Re-Design erforderlich ist. Die acht PCIe-Gen4-Anschlüsse des Moduls ermöglichen zukünftige Erweiterungen. Hiermit sind zusätzliche Beschleuniger oder andere Hochleistungsgeräte integrierbar, um aufkommenden Systemanforderungen gerecht zu werden.

Entwicklungszeit und -kosten reduzieren

Um Entwicklern dabei zu helfen, die Produktentwicklung zu beschleunigen und Applikationen schneller auf den Markt zu bringen, bietet Adlink zusätzlich zum Modul das I-Pi-Entwicklungskit (Bild 3) an. Es enthält unter anderem:

• Intel-Core-Ultra-5-Prozessor 125H (Meteor Lake-H) auf einem Express-Base-6-R3.1-Träger
• Den Kühlkörper THSF-cMTL-B mit aktivem Lüfter für eine effektive Wärmeabfuhr
• Das Debug Board DB30 x86 mit entsprechenden Anschlüssen für die Fehlersuche
• Einen Kabelsatz, einschließlich SATA- und Adapterkabeln von Stiftleiste auf DB9 für den COM-Port

Das i-Pi-Entwicklungskit bietet Entwicklern eine voll funktionsfähige Plattform für Rapid Prototyping, mit der sie ihre Designs schnell testen und optimieren können. Durch das Unterstützen einer breiten Palette von Peripherieanschlüssen und fortschrittlichen Debugging-Tools können Entwickler den Übergang vom Prototyp zur Produktion rationalisieren und so Entwicklungszeit und -kosten reduzieren.

Fazit und wichtige Erkenntnisse

Das cExpress-MTL Computer-on-Module löst kritische Designherausforderungen in Bezug auf die Systemkomplexität, Energieeffizienz und den Platzbedarf mit der Integration von CPU, GPU und KI-Verarbeitung in einem einzigen Modul. Das macht es zu einer idealen Applikation für zukunftsweisende, rechenintensive Applikationen wie medizinische Bildgebung, autonome Systeme und KI-gesteuerte Analysen. Mit der Integration der fortschrittlichen KI- und Grafikfunktionen von Meteor Lake verbessert das cExpress-MTL die Leistung, Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz.

Für Entwickler bietet das I-Pi-Entwicklungskit von Adlink eine einsatzbereite Plattform, die das Prototyping beschleunigt und die Markteinführungszeit verkürzt. Die Kombination aus fortschrittlicher Verarbeitungsleistung und einfachem Systemdesign macht das cExpress-MTL zu einem unverzichtbaren Werkzeug für Originalgerätehersteller (OEM) und Integratoren, die Embedded-Systeme der nächsten Generation entwickeln. (ts)