SMARC: Hocheffizienter Leistungszuwachs bei KI und Grafik

Der Wunsch nach „Mehr“ ist allgegenwärtig und stellt Entwickler immer wieder vor neue Herausforderungen. Gerade im Bereich industrieller IoT-Lösungen fordern wachsender Funktionsumfang und zusätzliche Services die eingesetzte Elektronik heraus.

Blickt man Jahre zurück, dann stand bei IoT vor allem Konnektivität im Mittelpunkt, da der Fokus auf Datenverarbeitung in der Cloud lag. Heutige Anwendungsszenarien zeigen jedoch, dass gerade die Datenverarbeitung vor Ort eine besonders wichtige Rolle einnimmt. Sei es, um Übertragungskapazitäten zu schonen und damit verbunden auch Energie und Kosten einzusparen oder kurze Reaktionszeiten und gegebenenfalls Redundanz zu Cloud-basierten Diensten zu gewährleisten. Vor allem künstliche Intelligenz und hochauflösende Video-Verarbeitung, aber auch die parallele Nutzung unterschiedlicher Dienste und erhöhtes Datenvolumen brachten bisherige Low-Power-Systeme oft an ihre Leistungsgrenzen. Mit dem Upgrade auf eine neue Modul-Generation kann jetzt einfach Abhilfe geschaffen werden.

Als Ergänzung zu bestehenden x86-Lösungen basierend auf der Intel-Atom-x6000E-Prozessor-Familie, die beispielsweise mit Schnittstellen wie CAN und erweitertem Temperaturbereich für spezielle Embedded-Anwendungsbereiche konzipiert wurde, können Systeme mit höheren Anforderungen an Performance und Energieeffizienz nun von den neu vorgestellten Prozessoren der Intel-Atom-x7000E-Serie sowie einem 8-Kern-Intel-Core-i3-Prozessor und den davon abgeleiteten Prozessoren der N-Serie im  kompakten Format profitieren.

KI Booster - Ein Vielfaches an Leistungsfähigkeit bei KI-, Grafik- und Media-Transcoding-Applikationen

Intel AVX2 und Intel Deep Learning Boost sowie die aus der 12. Generation Intel-Core-Prozessoren adaptierte Intel-UHD-Grafik, basierend auf der Intel-Iris-Xe-Architektur, sorgen für ein Vielfaches an Leistungsfähigkeit bei KI-, Grafik- und Media-Transcoding-Applikationen in einem CPU-Leistungsbereich von nur 6 bis 15 W. Damit sind auch neue Anwendungsfelder im Bereich IIoT möglich, wie beispielsweise KI-gestützte Auswertungen hochauflösender 4K-Videostreams bei geringer Verlustleistung vor Ort. Je nach Leistungsbudget stehen hierbei unterschiedliche CPU-Ausführungen zur Verfügung, die sich im Bereich Grafik vor allem in der Anzahl der Grafik-Execution-Units (16/24/32), die parallel genutzt werden können und deren Taktfrequenz (bis zu 1,25 GHz im Turbo-Mode) unterscheiden. Abhängig von der eingesetzten CPU sind gegenüber älteren Versionen über das sechsfache an KI-Inferenz-Leistungswerten bei der Objekterkennung möglich.

Dual-Core- bis Octal-Core-Ausführungen

Viele IIoT-Anwendungen sind softwareseitig modular aufgebaut, beispielsweise Docker-Container-basiert oder auf Basis von Hypervisoren, auf die zum Beispiel aus Sicherheitsgründen unterschiedliche Betriebssysteme parallel aufgesetzt sind. Gerade diese Anwendungen können von der gesteigerten Single-Thread- und Multi-Thread-Performance der neuen Prozessoren profitieren, vor allem aber auch von der erhöhten Anzahl an CPU-Kernen. Es stehen sowohl Dual-Core- und Quad-Core-Ausführungen mit unterschiedlichen Taktfrequenzen wie auch ganz neu eine Octal-Core-Ausführung zur Auswahl. Die als Intel Atom x7000E gekennzeichneten CPUs unterstützen dabei mit Funktionen wie Intel Time Coordinated Computing auch Echtzeitanwendungen. Wer dies nicht benötigt, kann auf die sogenannten Intel Processor N Derivate (in früheren Generationen unter den Brands Celeron und Pentium geführt) zurückgreifen, die sich vor allem durch hohe Turbo-Taktraten (bis zu 3,4 GHz Multi-Core-Turbo), erweiterter Grafik-Leistung und sehr geringem Grundverbrauch auszeichnen. Der tabellarische Überblick der unterschiedlichen Optionen zeigt, dass sowohl Anwendungen, die von hoher Taktfrequenz bei wenigen Cores profitieren, als auch spezialisierte Multi-Core-Anwendungen adressiert werden.

Integration und optimierte Systemperformance

Für die einfache Integration und optimierte Systemperformance stellt TQ mit dem TQMxE41S ein SMARC-2.1-kompatibles Embedded-Modul zur Verfügung, das die neue, bisher unter dem Codenamen „Alder Lake-N“ bekannte Prozessor-Familie von Intel mit wichtigen Features ergänzt. Bis zu 16 GB LPDDR5-4800 Speicher stellt sicher, dass große Datenmengen mit hoher Geschwindigkeit verwaltet und verarbeitet werden können. Ein bis zu 256 GB großer Industrial-iNAND-eMMC-Speicher auf dem Modul sorgt für genügend Platz für Betriebssystem und umfangreiche Anwendungen. Mit zwei 2,5 Gigabit schnellen Intel i226 Ethernet-Controllern wird eine schnelle Netzwerkanbindung mit breiter Softwareunterstützung möglich.

Für Erweiterungen auf dem Carrierboard und die Anbindung von High-Speed-Peripherie stehen vier PCIe Lanes, zwei USB-3.2- und sechs USB-2.0-Schnittstellen zur Verfügung. Eine Vielzahl an weiteren Schnittstellen wie I²C, SMBUs, SPI, High-Speed-UARTs sowie 16550-Legacy-kompatible serielle Schnittstellen ermöglichen die Anbindung klassischer Sensorik und IO.

Um speziellen Anforderungen gerecht zu werden, sind UEFI-BIOS-Anpassungen möglich. Für die Anbindung von bis zu drei hochauflösenden 4K-Displays stehen eDP/LVDS, DP++ und HDMI zur Verfügung. Die umfangreichen Security-Funktionen werden durch einen diskreten TPM-2.0-Chip auf dem Modul ergänzt. Durch den standardisierten Formfaktor des Moduls ist es möglich, dass auch bestehende Systeme aufgerüstet werden und somit von den neuen Errungenschaften inklusive deutlich verbesserter Energieeffizienz profitieren können.

Quick-Start - Starterkits mit unterschiedlichen Carrierboards

Für eine möglichst praxisnahe Evaluierung der x86-SMARC-Module wie dem TQMxE41S bietet TQ Starterkits mit unterschiedlichen Carrierboards an. Das im Bild gezeigte Kit ist mit 10 cm × 10 cm sehr kompakt und kann aufgrund seiner Bauweise auch direkt im Schaltschrank auf der Hutschiene verbaut werden. Ausgestattet mit drei M.2- Steckplätzen auf der Unterseite ist die gleichzeitige Erweiterung mit einer NVMe SSD, einem M.2-Key-E-basierten WiFi-6E-+BT-Modul (beispielsweise Intel AX210) sowie einer LTE/5G-Karte (beispielsweise EM919X / EM7565 von Sierra Wireless) über M.2 Key-B mit USB-3.1/2.0-Support möglich. In Kombination mit den zwei Gigabit-Ethernet-Schnittstellen, 1 × USB 3.2 und 3 × USB 2.0 sowie DP++ für den Anschluss eines hochauflösenden Bildschirms, lassen sich Proof-of-Concepts für IIoT-Lösungen im Handumdrehen realisieren. Durch den Einsatz unterschiedlicher Modulausführungen kann eine Optimierung und Validierung unter realen Einbaubedingungen durchgeführt werden. (neu)