Das COM-Express-Modul COMe-bTL6 eignet sich dank Intel-Core-i-Prozessor der 11. Generation mit bis zu acht Rechenkernen besonders für High-End-Anwendungen mit hoher Bandbreite. Dabei erhält es Unterstützung durch Intel Iris Xe Graphics und Intel Deep Learning Boost für erhöhte AI-Performance und integrierte TSN-Funktionalität.

Das COM-Express-Modul COMe-bTL6 eignet sich dank Intel-Core-i-Prozessor der 11. Generation mit bis zu acht Rechenkernen besonders für High-End-Anwendungen mit hoher Bandbreite. Dabei erhält es Unterstützung durch Intel Iris Xe Graphics und Intel Deep Learning Boost für erhöhte AI-Performance und integrierte TSN-Funktionalität. (Bild: Kontron)

Seit der Zug in Richtung Industrielles Internet der Dinge (IIoT) und Industrie 4.0 Fahrt aufgenommen hat, müssen Prozessorboards oder -module exponentiell wachsende Datenmengen handhaben und verarbeiten können. Der Bedarf an Rechenleistung sowie Übertragungs- und Speicherbandbreite steigt rapide an. Dazu tragen auch immer anspruchsvollere Bildverarbeitungsaufgaben und Anwendungen von künstlicher Intelligenz bzw. Artificial Intelligence (AI) bei.

Auf Basis der jeweils aktuellen Halbleitertechnologie entwickelt Kontron kontinuierlich weiter. Die enge Partnerschaft mit Prozessorherstellern wie Intel ermöglicht dem deutschen Premium-Hersteller, diese Technologien bereits sehr früh in Single Board Computer, Computer-on-Modules und Industrie-PCs zu integrieren. So stehen bereits kurz nach Verfügbarkeit des Siliziums einsatzbereite Produkte in industrietauglichen Ausführungen zur Verfügung.

Entwicklungssprung der Prozessorarchitektur

Bereits verfügbar sind die Produkte auf Basis der Intel-Core-i-Prozessoren der 11. Generation. Neben Low-end-Prozessoren wie der Serie Intel Atom und Server-Prozessoren der Intel-Xeon-Reihe bilden diese als Mittelklasse einen Hauptschwerpunkt im Produktangebot des US-Anbieters. Sie sind in vielfältigen Skalierungen erhältlich und einer Weiterentwicklung unterworfen, die teilweise auch in Technologieschritten erfolgt.

Ein solcher ist die Umstellung auf die „Tiger-Lake“-Mikroarchitektur. Ende 2020 erstmals angekündigt, nutzt diese den Herstellungsprozess mit 10 statt bisher 14 nm Strukturbreite. Dadurch sind diese Prozessoren ihren Vorgängerprodukten sowohl hinsichtlich der möglichen Taktfrequenzen (bis 4,8 GHz) als auch bezüglich der Energieeffizienz deutlich überlegen.

Der 3,5-Zoll-SBC-TGL basiert auf Intel-Core-i-Prozessoren der 11. Generation U-Serie und Celeron 6000 Serie und ist zusätzlich mit einer Intel Iris Xe Graphics Grafikeinheit der nächsten Generation ausgestattet und wie die COM-Express-Module auch im industrietauglichen Temperaturbereich von -40 bis 85 °C verfügbar.
Der 3,5-Zoll-SBC-TGL basiert auf Intel-Core-i-Prozessoren der 11. Generation U-Serie und Celeron 6000 Serie und ist zusätzlich mit einer Intel Iris Xe Graphics Grafikeinheit der nächsten Generation ausgestattet und wie die COM-Express-Module auch im industrietauglichen Temperaturbereich von -40 bis 85 °C verfügbar. (Bild: Kontron)

Prozessoren in zwei Performance-Stufen

Intel bietet diese Prozessoren in zahlreichen Varianten an. Wie bereits bei einigen Vorgängertypen kennzeichnen die Buchstaben U bzw. H die Haupttypen. Tiger Lake U ist eine Single-Chip-Lösung, während bei Tiger Lake H zwei getrennte Chips in einem Gehäuse arbeiten. Der separate PCH-Chip stellt als Hub zusätzlich zu den 20 PCIe 4.0-Lanes 30 programmierbare Hochgeschwindigkeits-I/O-Lanes zur Verfügung. So bietet Tiger Lake H mehrere schnelle SSD- und USB-Schnittstellen, ebenso 2,5 Gb (statt bisher 1 Gb) Ethernet und WiFi 6E Gigabit-WLAN.

Anders als bei früheren Architekturen ist die Thermal Design Power (TDP), auf deren Grundlage Kühlung und Stromzufuhr ausgelegt werden, innerhalb bestimmter Bereiche einstellbar. Sie beträgt 15 bis 25 W bei Tiger Lake U und 25 bis 45 W bei den leistungsfähigeren Tiger-Lake-H-Prozessoren.

Prozessoren der 11. Generation haben Echtzeitfähigkeit im Standard

Für die Eignung von Computerhardware in industriellen Anwendungen sind die reine Datenverarbeitungsleistung und die Übertragungsbandbreite auf den Netzwerkleitungen nicht die einzigen Kriterien. Speziell im Maschinenbau geht es oft um das Synchronisieren miteinander verbundener und voneinander abhängiger schneller Prozesse. Dort ist es wesentlich, dass die Datenübertragung ohne zu große Latenzen geschieht, also in Echtzeit. Ebenso wichtig ist, dass das Eintreffen der übertragenen Daten stets berechenbar, also deterministisch bleibt. Die 11. Generation bietet im Standard sowohl Intel Time Coordinated Computing (Intel TCC) als auch Time Sensitive Networking (TSN). Diese Erweiterungen von Ethernet um die Echtzeitfähigkeit ermöglichen das Verschmelzen der bisher getrennten Netzwerke für IT und OT ohne Zusatzkosten.

Die KBox C-104-TGL High-End-Industriecomputer im Box-PC-Format mit Intel-Core-i-Prozessoren der 11. Generation verbessern mit integrierter TSN- und Intel-TCC-Funktionalität den Determinismus in Echtzeitanwendungen für die Industrie 4.0.
Die KBox C-104-TGL High-End-Industriecomputer im Box-PC-Format mit Intel-Core-i-Prozessoren der 11. Generation verbessern mit integrierter TSN- und Intel-TCC-Funktionalität den Determinismus in Echtzeitanwendungen für die Industrie 4.0. (Bild: Kontron)

Funktionale Sicherheit oder Industrial Safety

Sehr wichtig ist in industriellen Anwendungen, vor allem im Maschinen- und Anlagenbau, die funktionale Sicherheit oder Industrial Safety. Darunter versteht man den Schutz von Personen vor Verletzungen und von Maschinen vor Beschädigungen. Diesem Schutz dienen sicherheitsgerichtete Schaltungen oder Steuerungen. Diese reagieren auf Schutzverletzungen, etwa durch das Öffnen einer Abdeckung, indem sie die Maschine in einen sicheren Betriebsmodus bringen, etwa per Nothalt. Immer komplexere Maschinen bedingen immer komplexere Sicherheitsvorkehrungen und differenzierte sichere Reaktionen.

Die aktuellen Intel-Prozessoren sind besonders für den Aufbau sicherheitsgerichteter programmierbarer Steuerungen geeignet. So kann nicht nur ein dedizierter Prozessorkern für sicherheitsgerichtete Anwendungen reserviert werden. Das Intel Functional Safety Essential Design Package (Intel FSEDP) stellt Kunden die technische Dokumentation für die Entwicklung und Zertifizierung sicherheitskritischer Plattformen nach den Normen für funktionale Sicherheit zur Verfügung.

Breite Skalierbarkeit mit COM Express

Mit der 11. Prozessorgeneration von Intel, PCIe 3.0 und einem TSN-fähigen Ethernet-Controller dringt das Kontron-COM-Express-Modul im Formfaktor Compact in eine neue Performance-Klasse vor, ohne die Leistungsaufnahme über Gebühr zu steigern. Dazu ist es mit einem Single-Chip-Prozessor Tiger Lake U mit zwei oder vier Rechnerkernen bestückt. Bereits diese CPUs verfügen über einen Befehlssatz für die vektorisierten neuronalen Netze der AI.

Im Formfaktor Basic der Kontron-COM-Express-Module sorgen diese Prozessoren mit bis zu acht Rechenkernen für die Eignung in High-End-Anwendungen mit hoher Bandbreite. Dabei handelt es sich um die Zweichip-Lösungen Tiger Lake H. Diese erhalten Unterstützung durch Intel Iris X Graphics und Intel Deep Learning Boost für erhöhte AI-Performance und integrierte TSN- und TCC-Funktionalität.

Tiger-Performance auf 3,5 Zoll

Der 3.5-Zoll-SBC-TGL ist ein 3.5-Zoll-Single-Board-Computer, der auf den Intel-Core-i-Prozessoren der 11. Generation U-Serie und Celeron-6000-Serie beruht. Bei Kontron nennt sich das Tiger Lake UP3. Er ist zusätzlich mit einer Intel Iris X Graphics Grafikeinheit der nächsten Generation ausgestattet. Die dadurch erzielte Prozessor-, Grafik- sowie AI-Leistung prädestiniert ihn für verarbeitungsintensive Anwendungen wie z. B. AI oder Deep Learning.

Interessant für industrielle Anwendungen macht ihn seine Eignung für Anwendungen von Computer Vision und das deterministische Rechnen mit geringer Latenz. Dazu unterstützt das Board 8K Videostreaming mit 60 Bildern pro Sekunde (fps). Mithilfe der B2B-Schnittstelle können gleichzeitig vier unabhängige Displays via DP mit einer Auflösung von 4K mit 60 fps angesteuert werden. Die TDP kann im BIOS konfiguriert werden. Damit lassen sich Systeme schaffen, die hinsichtlich des Kühlungsbedarfs an die individuellen Nutzungsprofile der Kunden eingestellt werden können.

Sowohl die COM-Express-Module als auch das 3,5-Zoll-SBC-TGL sind in Varianten mit dem erweiterten, industrietauglichen Temperaturbereich von -40 bis 85 °C verfügbar.

Der Industrie-PC KBox A-151-TGL mit Intel-Core-i-Prozessoren der 11. Generation bietet ausreichend Rechenperformance auch für anspruchsvolle IoT-Edge- oder AI-Anwendungen und kann um 4G/5G oder auch WiFi-6-Konnektivität ergänzt werden.
Der Industrie-PC KBox A-151-TGL mit Intel-Core-i-Prozessoren der 11. Generation bietet ausreichend Rechenperformance auch für anspruchsvolle IoT-Edge- oder AI-Anwendungen und kann um 4G/5G oder auch WiFi-6-Konnektivität ergänzt werden. (Bild: Kontron)

Tiger Lake in Box-PCs

Ausschließlich in der leistungsstärkeren Zweichip-Ausführung Tiger Lake H werden diese Prozessoren auch in der neuen Generation der High-End-Industriecomputer im Box-PC-Format verbaut. Ausgestattet mit Intel Core i3, i5 und i7 CPUs mit bis zu acht Rechenkernen, eignen sich die Geräte der Familie KBox C-104-TGL mit integrierter TSN- und Intel-TCC-Funktionalität speziell für anspruchsvolle Edge-Workloads und High-End-Anwendungen mit hoher Bandbreite.

Für besonders datenintensive IoT-Edge- und AI-Anwendungen auf Basis derselben Prozessoren wurde der Industrie-PC KBox A-151-TGL entwickelt. Er verfügt über einen Erweiterungsslot an der Front (I/O Door), über den er um zusätzliche Funktionalitäten wie z. B. Feldbusse, Schnittstellen wie Grafik, serielle oder digitale I/Os sowie Ethernet-Schnittstellen erweitert werden kann. Optional lässt sich das System zudem um 4G/5G- oder auch WiFi-6-Konnektivität ergänzen.

Lüfterloser Betrieb bis +65 °C

Die KBox-C-104-TGL-Familie ist für den Einsatz in Schaltschränken im Automatisierungsumfeld konzipiert. Das wartungsfreie System ermöglicht einen lüfterlosen Betrieb bis +65 °C. Die passiv gekühlte KBox A-151-TGL ist für Einsätze in rauen Umgebungen neben der Standardausführung auch im erweiterten Temperaturbereich zwischen -40 und +65 °C erhältlich. Sie lässt sich mittels Hutschienenmontage oder Wandbefestigung in Industrieumgebungen integrieren.

Für AI-Aufgaben sind die Geräte optional auch mit einem zusätzlich integrierten Hailo-8-AI-Beschleuniger verfügbar. Der Chip ist mit 3 TOPS/Watt sehr energieeffizient und durch seinen integrierten Speicher sehr schnell, er erreicht eine Inferenzleistung von 26 TOPS (Tera Operations per Second).

Langfristige Verfügbarkeit der Hardware

Ebenso wichtig wie technische Eignungsmerkmale ist für Industrieanwender die langfristige Verfügbarkeit der Hardware. Intel als Prozessorhersteller und Kontron garantieren diese. Über sehr lange Zeiträume kann die Verfügbarkeit funktionsäquivalenter Produkte mit zeitentsprechend mitwachsenden Performancedaten gewährleistet werden. (neu)

Autor

Peter Müller, Kontron
(Bild: Kontron)

Peter Müller ist Vice President Product Center Boards & Modules bei Kontron.

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