Was Embedded-Prozessoren in Zen-Mikroarchitektur wirklich leisten

Die x86-Core-Hochleistungs-Architektur „Zen“ von AMD bietet im Vergleich zur Vorgängergeneration eine Verbesserung um 52 Prozent im Hinblick auf die Befehle pro Taktzyklus und eine 200-prozentige Verbesserung beim Durchsatz pro Takt auf der GPU. Da es sie in unterschiedlichsten Leistungsklassen gibt, die von Low-Power-12-Watt-Dualcore-Prozessoren bis hin zur 100-Watt-Serverklasse mit 16 Cores / 32 Threads reicht, bietet AMD mit einer einzigen Mikroprozessor-Architektur eine hohe Skalierbarkeit.

Da es die Embedded-Prozessoren in unterschiedlichen Leistungsklassen gibt, bietet AMD mit einer einzigen Mikroprozessor-Architektur eine hohe Skalierbarkeit. Kontron

Für den klassischen Embedded-Computing-Bereich besonders interessant sind dabei die Ryzen-V1000-Prozessoren sowie die jüngst vorgestellten R1000-Prozessoren (Bild 1). Diese bieten die dreifache Performance pro Watt gegenüber der Vorgänger-R-Serie und die dreifache Performance pro Euro im Vergleich zum Wettbewerb. Hinzu kommen zukünftig auch die Epyc-Embedded-3000-Prozessoren der Serverklasse für Netzwerk-, Speicher- und Industrieanwendungen am IIoT-Edge, die ebenfalls auf der Zen-CPU-Architektur basieren.

Nochmals mehr Leistung sollen auch die kommenden Generationen der jeweiligen Prozessorklassen liefern. AMD-Chefin Dr. Lisa Su kündigte an, dass die neue Zen-2-Architektur die Instruktionen pro Takt nochmals um 15 Prozent steigern soll und in 7-nm-Technologie hergestellt wird. Mit dem Wechsel zur 7-nm-Technologie steigt auch die Performance pro Watt und voraussichtlich auch die höhere Anzahl der Kerne, die sich bei gegebener Leistung bespielen lassen. Positiv auf die Performance dürfte sich auch der größere Cache sowie das neue Design der Floating-Point-Engine auswirken.

Langzeitverfügbarkeit

Für die Langzeitverfügbarkeit sind die Geode-Prozessoren von AMD ein gutes Beispiel. Sie sind für Embedded-Anwender noch bis 2021 verfügbar. Mit 16 Jahren ist dies der am längsten verfügbare x86-Prozessor, der in Embedded-Applikationen heute überhaupt noch zum Einsatz kommt. Anwender profitieren von dieser langfristigen Partnerschaft, die gerade für Embedded-Projekte wichtig ist.

Bild 2: Das Ökosystem für die Bilderkennung und KI ist bei den Embedded-Prozessoren von AMD sehr umfassend. Ein wichtiger Vorteil ist dabei der vertrauensvolle Open-Source-Ansatz von Radeon Open Compute Platform. Kontron

Die Grafikleistung der Prozessoren ist im Embedded-Bereich nicht nur für Ultra-HD-Grafik für professional Gaming, Infotainment und HMIs von Interesse. Die SoC-integrierten Vega-GPUs können OEMs auch für die Bildverarbeitung nutzen und dabei die Ineffizienz antiquierter Systemarchitekturen mit älteren ASIC-, DSP- und FPGA-Prozessoren durch eine hochintegrierte SoC-Lösung ersetzen. Diese bietet darüber hinaus eine sehr breite Skalierbarkeit von sowohl Hardware als auch Software. Ein weiteres großes Anwendungsfeld sind auch Inferenzsysteme für künstliche Intelligenz, die zunehmend in unterschiedlichsten Embedded-Applikationen Einzug halten.

Diese dienen beispielsweise zur Unterstützung bei der Befundung bei bildgebenden Verfahren in der Medizintechnik oder stellen die Situational Awareness von kollaborativen Robotern oder autonomen Logistikfahrzeugen sicher. Für den Entwickler stellen diese Embedded-Prozessoren eine Premiumlösung für das Embedded Computing dar, von der viele Bereiche profitieren können: vom klassischen Echtzeit-Industrial-Computing, bei dem noch immer Single Thread / Single Core Performance pro Watt eine entscheidende Rolle spielt, bis hin zu Multicore-Edge-Systemen mit Echtzeitsteuerung und virtualisierten Maschinen für KI-Integration, Industrie-4.0-Konnektivität und OEM-Cloudanbindung (Bild 2).

Harter Performancevergleich

Bild 3: Bei der CPU-Performance erreicht der Ryzen-V1807B auf dem cVR6 9618 Punkte. Kontron

Bild 4: Auf 1897 Benchmark-Punkte bringt es der V1807B bei der 3D-Grafikleistung. Kontron

Da die Performance auch immer vom Hersteller des Systems bestimmt wird, sind Performancemessungen ideal vergleichbar, wenn die unterschiedlichen Lösungsmöglichkeiten auch von einem einzelnen Hersteller im Vergleich sichtbar sind. Aus diesem Grund hat Kontron alle Mitglieder seiner COM-Express-Compact-Modulfamilie auf ein und demselben Carrierboard zum Vergleich gebeten. Herausgekommen sind dabei harte Fakten, die bei CPU-Performance, 2D- und 3D-Grafikleistung und Speicherperformance sowie Leistungsaufnahme eindeutig für die Prozessoren der Zen-Mikroarchitektur sprechen. Ein solches Benchmark-Setup mit Computer-on-Modules ist sicherlich eine der objektivsten Methoden, da auf alternativ testbaren Motherboards zahlreiche zusätzliche, mitunter unterschiedliche Controller die Werte der Leistungsaufnahme signifikant beeinflussen können. Das von Kontron genutzte Carrierboard ist jedoch für alle Module identisch, sodass verlässliche Werte ermittelt wurden.

Das derzeit leistungsstärkste COM-Express-Compact-Modul von Kontron basiert auf den Ryzen-V1000-Prozessoren. Es bietet nicht nur eine hohe 3D-Performance, sondern liefert auch die höchste CPU-Performance. So erreichte das cRV6 mit dem Ryzen-V1807B-Prozessor einen CPU-Benchmarkwert von 9618 Punkten (Bild 3). Das sind rund 83 Prozent mehr Rechenleistung als das performanteste COM-Express-Compact-Modul mit Intel Core-Technologie, dem cKL6 mit Core-i7-Prozessor 7600U. Um eine CPU-Performance auf vergleichbarem Niveau zu finden, mussten Anwender zum deutlich größeren COM-Express-Basic-Modul mit dem Core-i7-Prozessor 7820EQ ausweichen. Zwar hat Intel mit der aktuellen achten Generation der Core-Prozessoren nachgezogen und es steht zu erwarten, dass das neue Kontron COMe-cWL6 eine adäquate Performance erreichen wird – nur zu welchem Preis?

Unerreicht bleibt in beiden Fällen zudem die GPGPU-Rechenleistung der integrierten Vega-Grafikeinheit von AMD, die bis zu 3,6 TFLOPS erreicht. Hinsichtlich der Grafikleistung erreicht das SoC einen 3D-Benchmarkwert von bis zu 1897 Punkten (Bild 4). Das sind 94 Prozent mehr Leistung als das nächst leistungsstärkste Intel-basierte Compact-Modul zur Verfügung stellt, das cKL6. Eine vergleichbare Grafikleistung auf Intel-Seite erhalten OEMs nur mit dem bSL6-COM-Express-Basic-Modul mit dem Xeon-E3-1515M-Prozessor und Iris-Pro-Grafik P580 mit 128 Mbyte dediziertem eDRAM-Cache. Preislich spielt dieser Prozessor aber mit knapp 500 US-Dollar in einer ganz anderen Liga. Bild 5 zeigt alle Ergebnisse des Benchmarkings im Detail.

Mehr Performance als Leistungsaufnahme

Mehr Performance gibt es jedoch nicht umsonst. So sind die TDP-Werte der Hersteller kein Maß für die tatsächliche Leistungsaufnahme. Das belegen auch die von Kontron durchgeführten Benchmarks. Trotz der von AMD spezifizierten TDP zwischen 35 und 56 W für den V1807B nahm das cVR6 bei den Performancetests lediglich 29,2 W im Durchschnitt auf. Das sind zwar rund 59 Prozent mehr als das cLK6 mit Intel-Core-Technologie, dafür liefert es aber auch eine deutlich höhere Gesamtperformance von 88,5 Prozent (gemittelt aus CPU- und Grafikperformance).

Suchen Entwickler also nach höchster CPU-Performance und/oder Grafikleistung in einem kompakten Formfaktor, dann ist das cRV6 mit Ryzen-Embedded-V1000-Prozessor die erste Wahl. Hinzu kommt, dass es auch eines der wenigen High-Performance-COMs ist, das auch in Versionen für den erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C erhältlich ist. Damit ist es nicht nur für Applikationen im Medizinbereich prädestiniert, sondern auch für anspruchsvolle KI-Applikationen in den Märkten Robotik, Automation, Mess- und Prüftechnik sowie autonomes Fahren. Sein sehr gutes Preis-Leistungsverhältnis macht es zudem auch zur ersten Wahl für kostensensitive Märkte wie Digital Signage.

Bild 5: Alle Ergebnisse des Benchmarks (Gesamtperformance) im Überblick. Kontron

Neben reinen Performance-Messungen sowie Abwägungen hinsichtlich der Faktoren Performance pro Watt und Euro, spielen derzeit aber insbesondere die Möglichkeiten der IIoT-Anbindung eine essenzielle Rolle. Neben der Betrachtung des rein technischen Wegs, wie Devices in die Cloud gelangen, wird von OEM dabei zunehmend dieses Ziel ins Visier genommen, denn es stellt immer den Anfang der Überlegungen dar. Welchen Nutzen lässt sich aus der Anbindung ziehen? Und ist der Nutzen erst einmal in der Funktionsbeschreibung ausformuliert, steht dann im nächsten Schritt die Frage im Raum, mit welchem Partner sich dieser Nutzen am effizientesten umsetzen lässt. Die Zen-Mikroarchitektur bietet auch hierfür zahlreiche Features, die gegenüber den Vorgängergenerationen viele Vorteile bieten.

Hardwarebasierte Sicherheitsfunktionen

Dank integrierter Secure-Root-of-Trust-Technologie lässt sich beispielsweise nur die Software ausführen, die autorisiert wurde. Die Secure-Run-Technologie von AMD verschlüsselt Daten im Hauptspeicher und bietet kryptografische Isolation von anderen virtuellen Maschinen, Mandanten und sogar vom Hypervisor selbst und die Secure-Move-Technologie ermöglicht zudem die sichere Migration von VMs. Hinzu kommt die Tatsache, dass über die Epyc-Plattformen umfassende Server Grade Features auch im Embedded-Bereich Anwendung finden können, was das Out-of-Band-Management erleichtert und die RASM-Features (Reliability, Availability, Serviceability, Managability) hochverfügbarer Rechenzentren ebenfalls für Embedded-Edge-Systeme zum Standard macht. Die Embedded-V1000-Familie bietet zudem eine einmalige programmierbare Funktion (OTP), die es Anwendern ermöglicht, ihre eigenen Verschlüsselungscodes zu verwalten.

Werden diese hardwareintegrierten Features mit dem Angebot von Embedded-Computing-Anbietern wie Kontron gepaart, die beispielsweise umfassende Softwareschutz-, Lizenzierungs- und Monetarisierungsfunktionen bieten, sind schon die wichtigsten Funktionen integriert, die für neue Geschäftsmodelle wie Pay-per-Use, featurebasierte Lizenzierung mit passenden Subscriptiondiensten von Seiten der Embedded-Computing-Hardware notwendig sind. So integrieren die neuen COM-Express-Module von Kontron beispielsweise die Security Solution Approtect. Sie umfasst optional auch einen Sicherheits-Chip von Wibu-Systems und ein speziell für diesen Chip entwickeltes Softwareframework.

Sicherer Zugriff über Cloud-Integration

Implementierung von beispielsweise Microsoft-Azure-Machine-Learning- und Microsoft-Cognitive-Services-Analyse-Anwendungen sind ebenfalls möglich. Hier bietet die S&T-Gruppe, zu der Kontron gehört, als Azure-Partner entsprechend hohe Cloud-Computing-Expertise genauso wie umfassendes Know-how bei der Business-Prozess-Integration in ERP-Systeme dank SAP-S/4HANA-Cloud-Partner-Status. Auch schüsselfertige Lösungen zusammen mit agilen Billingsystemen für flexibles Subscriptionmanagement, wie denen von Anbietern wie Zuora, stellen keine großen Hürden dar. Über das IoT-Software-Framework Susietec bietet Kontron Lösungen an, um beispielsweise Scada-Funktionalitäten über die Cloud bereitzustellen. Der sichere Zugriff auf Maschinendaten kann damit praktisch über jedes Endgerät erfolgen.

Von Seiten des Embedded-Computing-Herstellers sind folglich bereits die meisten Hausaufgaben gemacht, entsprechende Change-Management-Prozesse technologisch nahtlos unterstützen zu können. Sowohl OEM, Systemintegratoren als auch Managementberatungs-Dienstleister finden in Kontron einen Engineering-Partner, der Geschäftsprozessveränderungen auch von Seiten des neuen benötigten Managementsystems aus umfassend begleiten kann.

(na)