Die Herausforderungen, die aktuelle Medizinverfahren an Embedded-Module stellen, sind enorm. (Bild: Avnet Embedded)
Der Einsatz von Embedded-Computing-Technologien kann die Entwicklung von innovativen Medizingeräten der Zukunft deutlich beschleunigen. Der Anwendungsbereich reicht von Hochleistungssystemen der Computer- und Magnetresonanztomografie (CT, MRT), über Ultraschall- und Diagnosegeräten bis hin zu mobilen Patientenmonitorsystemen. Ein Schwerpunkt intelligenter Medizinanwendungen sind hochwertige Bildaufnahme- und Bildverarbeitungsverfahren, die KI (künstliche Intelligenz) -Technologien einsetzen. Dank KI können Ärzte schnell unterschiedliche Röntgen- und Tomografieaufnahmen auswerten, z. B. um die Früherkennung von Erkrankungen zu erleichtern. Gemeinsam ist allen Anwendungen in der Medizintechnik, dass die Anforderungen in puncto Sicherheit, Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Geräte besonders hoch sind. Diese Themen sind die Voraussetzung, um die gültigen Normen und vorgeschriebenen Zertifizierungen zu erfüllen.
Vorteile des Modulkonzepts: hohe Flexibilität und offene Skalierung
Um Entwicklern von aktuellen medizinischen Systemen bei der Umsetzung von smarten Lösungen zu unterstützen, stellen Hersteller von Embedded-Computing-Lösungen passende Building Blocks zur Verfügung. Die sofort einsetzbaren Computer-on-Module integrieren eine Core-Funktionalität der ausgewählten Prozessortechnologie und werden auf ein Carrier- Board montiert, das alle anwendungsspezifischen Funktionen aufweist. Die Vorteile des Modulkonzepts sind eine hohe Flexibilität und eine offene Skalierung zur Optimierung der Projektkosten im Vergleich zu einem Custom Design und der Time-to-Market der Endprodukte. Darüber hinaus bieten die standardisierten Embedded-Computing-Module dank ihrer Skalierungsmöglichkeit eine Migration hin zu zukünftigen Technologie Upgrades.
Avnet Embedded bietet ein breites Produktprogramm an Embedded-Computing-Modulen an, die dank ihrer skalierbaren Performance und einem flexiblen Feature-Set sämtliche Anforderungen aktueller Medizintechnikanwendungen abdecken. Für spezielle Aufgaben, die mit den angebotenen Standardmodulen nicht erfüllbar sind, bestehen zahlreiche Möglichkeiten, die Hard- und Software anwendungsspezifisch zu optimieren. Dies reicht von der Anpassung des BIOS über Unterstützung bei der Entwicklung des Carrier-Boards bis hin zur Integration des Moduls in die spezielle Applikation. Zusätzlich gibt es auch die Möglichkeit, nicht nur Module, sondern auch komplette Baugruppen und Systeme nach Anwendervorgaben zu fertigen.
Um die hohen Leistungsanforderungen vielfältiger Medizinanwendungen zu erfüllen, ist die Intel-Alder-Lake-Prozessortechnologie sehr gut geeignet. Derzeit werden fünf Module angeboten, die auf der Alder-Lake-Architektur basieren. Die Modulfamilien MSC SM2S-ALN im kompakten SMARC-Formfaktor und MSC C6C-ALN im COM-Express-Type-6-Compact-Standard integrieren einen Intel-Alder-Lake-N-Prozessor. Je nach Leistungsfähigkeit ist die CPU auch als Intel-Atom-Prozessor-x7000E-Serie oder als Intel-Core-i3-Prozessor gebrandet. Zur Skalierung der Performance stehen zwei, vier oder acht Cores zur Verfügung. Es können bis zu drei unabhängige Displays angesteuert werden. Beide Module sind u. a. für den Einsatz in mobilen Erste-Hilfe-Ausrüstungen, Defibrillatoren, EKG-Geräten, Beatmungs- und klinischen Diagnosegeräten, Patienten-Monitoring-Systemen und in der Zahnchirurgie ausgelegt.
Für höhere Anforderungen bietet das Unternehmen drei Computer-on-Module an, die mit Intel-Core-Prozessoren der aktuellen 12. Generation (Codename „Alder Lake U/P/H-series“) bestückt sind. Die skalierbaren Produktfamilien zeichnen sich durch eine breite Auswahl an CPU-Varianten aus, die sich in der Rechenleistung und Energieeffizienz unterscheiden.
Die neue Intel Performance Hybrid Architecture der 12. Gen Intel-Core-Prozessoren besteht aus Performance-cores und Efficient-cores, deren jeweilige Arbeitslast vom integrierten Intel Threat Director optimiert wird. Die Architektur verfügt über insgesamt bis zu vierzehn Cores und zwanzig Threads. Die integrierte Intel-Iris-Xe-Grafik mit bis zu 96 Execution Units (EUs) liefert eine hohe Grafikleistung. Die EUs unterstützen darüber hinaus KI-Anwendungen, die zunehmend in sehr leistungsfähigen Bilderkennungs- und Bildverarbeitungssystemen in der Medizin zum Einsatz kommen. Eine umfassende Lösung zur Optimierung und Bereitstellung von KI bietet zudem das von den Modulen unterstützte OpenVINO-Toolkit von Intel.
Bis zu vier unabhängige Displays können angesteuert werden
Insgesamt können die Modulfamilien mit 12.-Gen-Intel-Core-Prozessortechnologie bis zu vier unabhängige Displays ansteuern. Eine Auswahl an leistungsfähigen Schnittstellen wie PCI Express Gen 4/Gen 3 Lanes, Ethernet und USB 4 Ports ermöglicht einen hohen Datendurchsatz, der gerade in bildgebenden Verfahren gefordert ist.
Typische Anwendungen für Embedded-Modulfamilien, die einen 12.-Ge- Intel-Core-Prozessor integrieren, sind aktuelle Ultraschallgeräte, Röntgengeräte, Tomografiesysteme, Medizinsysteme zur Erkennung von Krebserkrankungen, Geräte zur Strahlentherapie und der Augendiagnostik.
Die kompakte COM-Express-Modulfamilie MSC C6C-ALP von Avnet Embedded ist primär für die 12.-Gen-Intel-Cor- P-series- und U-series- Prozessoren (Codename „Alder Lake P-series und U-series“) entwickelt worden (Bild 1). Die Thermal Design Power (TDP) liegt bei 28 W. Für Anwendungen mit niedriger Verlustleistung können einzelne Prozessorvarianten bei 12 W betrieben werden. Für besonders anspruchsvolle Aufgaben kann auch ein H-series Prozessor verwendet werden, der bei 45 oder 35 W TDP betrieben wird.
Dank des kleinen COM Express Compact Formfaktors mit Abmessungen von 95 mm × 95 mm sind die MSC-C6C-ALP-Module platzsparend einsetzbar. Für einen hohen Datendurchsatz sorgt die implementierte schnelle LPDDR5-5200-Speichertechnologie mit einer maximalen Kapazität von 32 GB. Die Speicherbausteine sind auf dem Board fest verlötet (memory-down) und ermöglichen mithilfe eines Kühlkörpers eine optimale Kühlung der Chips.
Die MSC-C6C-ALP-Module können mit dem COM-Express-Carrier-Board über acht PCIe Gen 3 Lanes und maximal 16 PCIe Gen 4 Lanes angeschlossen werden. Die Ethernet-Schnittstelle basierend auf dem Intel-i226-Netzwerkcontroller liefert bis zu 2,5 GbE Bandbreite. Zusätzlich sind bis zu vier USB 3.2 Gen 1 / 2 und acht USB 2.0 Ports sowie zwei UARTs verfügbar. Zur Ansteuerung von bis zu vier unabhängigen Displays sind drei DisplayPort / HDMI Interfaces, ein LVDS und Embedded-DisplayPort-Anschluss. Über zwei Sata-6-Gb/s-Kanäle lassen sich Massenspeicher anbinden. Optional können die Boards mit einer NVMe SSD, die eine maximale Kapazität von 1 TB aufweist, ausgestattet werden.
Vorteile von Modulkonzepten
Der Einsatz von Embedded-Computing-Technologien kann die Entwicklung von innovativen Medizingeräten der Zukunft deutlich beschleunigen. Um Entwicklern von medizinischen Systemen bei der Umsetzung von smarten Lösungen zu unterstützen, stellen Hersteller von Embedded-Computing-Lösungen passende Building Blocks zur Verfügung. Die sofort einsetzbaren Computer-on-Module integrieren eine Core-Funktionalität der ausgewählten Prozessortechnologie und werden auf ein Carrier Board montiert, das alle anwendungsspezifischen Funktionen aufweist. Hohe Flexibilität und eine offene Skalierung sind die Hauptvorteile von Modulkonzepten. Um die hohen Leistungsanforderungen vielfältiger Medizinanwendungen zu erfüllen, ist die Intel-Alder-Lake-Prozessortechnologie sehr gut geeignet.
Avnet Embedded erweitert mit der COM-Express-Type-6-Modulfamilie MSC C6B-ALP mit 12.-Gen.-Intel-Core-U/P/H-series-Prozessoren (Codename „Alder Lake U/P/H-series“) ihr COM-Express-Produktprogramm im oberen Leistungssektor (Bild 2). Die Thermal Design Power wird mit 45 / 35 W angegeben.
Die Boards im Basic Formfaktor können mit bis zu zwei SO-DIMMs bestückt werden, die eine Speicherkapazität von 8 bis 64 GB zur Verfügung stellen. Die Module können mit dem COM-Express-Carrier-Board über je vier PCIe Gen 4 Lanes und einen PEG 1x8 Lane Port mit PCIe Gen 4 (bei Alder Lake H-series) angeschlossen werden. Das Ethernet Interface basierend auf dem Intel i226 Netzwerkcontroller liefert bis zu 2,5 GbE Bandbreite. Zusätzlich sind vier USB 3.1 Gen 1 / 2 und acht USB 2.0 Ports sowie zwei UARTs vorhanden. An Grafikschnittstellen stehen drei DisplayPort / HDMI Interfaces, ein LVDS und Embedded-DisplayPort-Anschluss sowie optional VGA zur Verfügung.
Sehr hohe Rechen-, Grafik- und Videoleistung sowie genug I/O-Bandbreite für zukünftige High-end-Anwendungen
Embedded-Module im neuen COM-HPC (Computer-On-Module for High Performance Computing) -Formfaktor liefern eine sehr hohe Rechen-, Grafik- und Videoleistung sowie genug I/O-Bandbreite für zukünftige High-end-Anwendungen. Die High-end-Modulfamilie MSC HCA-ALP ist mit 12.-Gen-Intel-Core-H-series-, P-series- und U-series-Prozessoren (Codename „Alder Lake U/P/H-series“) bestückbar (Bild 3). Die Baugruppen entsprechen dem COM-HPC-Size-A-Formfaktor mit Client Interface und weisen Abmessungen von 120 mm × 95 mm auf.
Speziell für datenintensive Anwendungen z. B. die Auswertung von hochauflösenden Bildern in Echtzeit, sind die implementierte schnelle DDR5-4800-Speichertechnologie und die Auswahl an schnellen Schnittstellen ausgelegt Das COM-HPC-Modul lässt sich über bis zu acht PCIe Gen 3 Lanes, bis zu acht PCIe Gen 4 Lanes und einem optionalen PEG 1 × 8 Port basierend auf PCIe Gen 4 an das COM-HPC-Carrier-Board anschließen. Die beiden Ethernet Interfaces basieren auf der Intel-i225/i226-Netzwerkcontrollerfamilie und liefern bis zu 2,5 GbE Bandbreite. Zusätzlich sind USB Ports für USB 4 und USB 3.2 vorhanden. An Grafikschnittstellen stehen drei DisplayPort / HDMI-Schnittstellen und ein Embedded DisplayPort Interface zur Verfügung. Insgesamt können bis zu vier unabhängige Displays angesteuert werden. Über zwei Sata-6 Gb/s-Kanäle lassen sich Massenspeicher anschließen. Optional können die Baugruppen mit einer NVMe SSD einer maximalen Kapazität von 1 TB ausgestattet werden.
Vorbereitet für die Verwendung der 13.-Gen-Intel-Core-series
Alle besprochenen Produkt-Designs sind vorbereitet für die die Verwendung der 13.-Gen-Intel-Core-series. Diese Prozessorfamilie ist sockel-kompatibel zu der 12. Generation und lässt sich in die bestehenden Architekturen integrieren. Unter anderem werden damit PCIe-Gen-5-Grafikanwendungen basierend auf COM-HPC möglich, die die I/O Bandbreite weiter ausbauen.
Zusätzlich zu den Embedded-Modulen gibt es ein komplettes Ecosystem mit passendem Starter-Kit, Board Support Package und Design-in-Support. Die Baugruppen werden in den unternehmenseigenen Design Centern entwickelt und in hochautomatisierten Produktionsstätten gefertigt. Damit ist eine sehr hohe Qualität der Embedded-Boards gewährleistet. Garantiert wird eine Langzeitverfügbarkeit von mindestens zehn Jahren. (neu)
