Da die Implementierung des industriellen Internets der Dinge (IIoT) und von Industrie 4.0 immer mehr an Bedeutung gewinnt, müssen Prozessorplatinen und -module in der Lage sein, exponentiell wachsende Datenmengen zu verarbeiten. Der Bedarf an Rechenleistung sowie Übertragungs- und Speicherbandbreite steigt rasant. Dies ist auch auf immer anspruchsvollere Bildverarbeitungsaufgaben und Anwendungen künstlicher Intelligenz (KI) zurückzuführen.
Kontron, ein führender Hersteller innovativer und skalierbarer Produkte für Embedded Systems/IIoT, entwickelt seine Produkte kontinuierlich auf Basis neuester Halbleitertechnologie. Die enge Zusammenarbeit mit Prozessorherstellern wie Intel® ermöglicht es dem deutschen Premiumhersteller, diese Technologien bereits in einem sehr frühen Stadium in Einplatinencomputer (SBCs), COM-Module und Industrie-PCs zu integrieren. So sind einsatzbereite Produkte kurz nach Verfügbarkeit der Siliziumchips erhältlich, auch in industrietauglichen Ausführungen.
Abbildung 1: Dank des Intel® Core™-i Prozessors der 11. Generation mit bis zu 8 Prozessorkernen eignet sich das COM Express® COMe-bTL6 Modul besonders für anspruchsvolle Anwendungen mit hoher Bandbreite. Es unterstützt Intel® Iris® Xe Grafik und Intel® Deep Learning Boost für verbesserte KI-Leistung sowie integrierte TSN-Funktionalität.
Evolutionärer Sprung in der Prozessorarchitektur
Produkte auf Basis des Intel® Core™-i Prozessors der 11. Generation sind ab sofort flächendeckend verfügbar. Die Intel® Xeon™-Serie, zusammen mit Einsteigerprozessoren wie der Intel® Atom®-Serie und Serverprozessoren, bildet als Mittelklasse-Prozessor einen wichtigen Schwerpunkt im Portfolio des US-amerikanischen Herstellers. Sie bieten ein breites Spektrum an Skalierbarkeit und werden kontinuierlich weiterentwickelt, was teilweise auch technologische Quantensprünge mit sich bringt.
Einer dieser Quantensprünge ist der Übergang zur sogenannten „Tiger Lake“-Mikroarchitektur, die Ende 2020 angekündigt wurde. Dies beinhaltet ein neues Herstellungsverfahren, das eine Strukturbreite von 10 nm anstelle der bisherigen 14 nm ermöglicht. Dadurch sind diese Prozessoren ihren Vorgängern sowohl hinsichtlich der möglichen Taktraten (bis zu 4,8 GHz) als auch der Energieeffizienz deutlich überlegen.
Zwei Leistungsstufen
Intel® Prozessoren sind in zahlreichen Varianten erhältlich. Wie bei einigen Vorgängern bezeichnen die Buchstaben U und H die Haupttypen. Tiger Lake U ist eine Single-Chip-Lösung, während Tiger Lake H zwei separate Chips in einem Gehäuse vereint. Der separate PCH-Chip bietet neben den 20 PCIe 4.0-Lanes 30 schnelle, hubprogrammierbare I/O-Kanäle. Tiger Lake H verfügt somit über mehrere schnelle SSD- und USB-Schnittstellen sowie 2,5-GbE (statt des vorherigen 1-GbE) und Wi-Fi 6E Gigabit WLAN.
Anders als bei früheren Architekturen ist die TDP (Thermal Design Power), die Kühlung und Leistungsabgabe bestimmt, innerhalb bestimmter Grenzen anpassbar. Sie liegt bei Tiger Lake U-Prozessoren zwischen 15 und 25 Watt und bei den leistungsstärkeren Tiger Lake H-Prozessoren zwischen 25 und 45 Watt. Intel® bezeichnete sie in seiner Präsentation als die weltweit schnellsten Laptop-Prozessoren.
Abbildung 2: Das 3,5"-SBC-TGL basiert auf Intel® Core™-i U-Prozessoren der 11. Generation und Celeron® 6000-Prozessoren und ist zusätzlich mit einer Intel® Iris® Xe-Grafikeinheit der nächsten Generation ausgestattet. Wie die COM Express®-Module ist es auch für einen industriellen Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C erhältlich.
Echtzeitfähigkeit der Serie
„Reine Datenverarbeitungsleistung und Übertragungsbandbreite in Netzwerkleitungen sind nicht die einzigen Kriterien für die Eignung von Computerhardware in industriellen Anwendungen“, sagt Peter Müller, Vizepräsident des Produktzentrums Boards and Modules bei Kontron.
Insbesondere im Maschinenbau geht es häufig um die Synchronisierung schneller, vernetzter und voneinander abhängiger Prozesse. Die Datenübertragung muss mit minimaler Latenz – also in Echtzeit – erfolgen. Ebenso wichtig ist die stets vorhersehbare, also deterministische Ankunft der übertragenen Daten. Die 11. Generation bietet Intel® Time Coordinated Computing (Intel® TCC) und Time Sensitive Networking (TSN) standardmäßig. Durch die Integration von Echtzeitfunktionen in Ethernet ermöglichen diese Erweiterungen die Zusammenführung bisher getrennter IT- und OT-Netzwerke ohne zusätzliche Kosten.
Abbildung 3: Dank integrierter TSN- und Intel® TCC-Funktionalität verbessern die High-End-Industrie-Box-PCs KBox C-104-TGL mit Intel® Core™-i Prozessoren der 11. Generation die Deterministik in Echtzeitanwendungen für Industrie 4.0.
Geeignet für den sicheren industriellen Einsatz
Funktionale oder industrielle Sicherheit ist in industriellen Anwendungen, insbesondere im Maschinen- und Anlagenbau, von entscheidender Bedeutung. Sicherheitsrelevante Steuerschaltungen oder -systeme dienen dem Schutz von Personen vor Verletzungen und von Maschinen vor Schäden. Im Falle einer Sicherheitsverletzung reagieren diese Systeme beispielsweise durch Öffnen einer Abdeckung oder durch Umschalten der Maschine in einen sicheren Betriebsmodus, wie etwa einen Not-Aus. Immer komplexere Maschinen erfordern zunehmend ausgefeiltere Sicherheitsvorkehrungen und differenzierte Sicherheitsreaktionen.
Aktuelle Intel®-Prozessoren eignen sich besonders gut für die Entwicklung sicherheitsorientierter programmierbarer Steuerungen (SPS), da ein dedizierter Prozessorkern für sicherheitskritische Anwendungen reserviert werden kann. Das Intel® Functional Safety Essential Design Package (Intel® FSEDP) bietet Kunden die technische Dokumentation zur Entwicklung und Zertifizierung sicherheitskritischer Plattformen gemäß den Normen für funktionale Sicherheit.
Umfangreiche Skalierbarkeit mit COM Express
Mit Intel®-Prozessoren der 11. Generation, PCIe 3.0 und einem TSN-fähigen Ethernet-Controller erreicht das COM Express®-Modul von Kontron im Compact-Formfaktor eine neue Leistungsklasse, ohne dabei den Stromverbrauch signifikant zu erhöhen. Dies wird durch den Einsatz eines Tiger Lake U-Prozessors mit zwei oder vier Rechenkernen ermöglicht. Diese CPUs verfügen bereits über einen Befehlssatz für vektorbasierte KI-Neuronale Netze.
Die Prozessoren der COM Express®-Module von Kontron im Basic-Formfaktor mit bis zu 8 Rechenkernen eignen sich ideal für anspruchsvolle Anwendungen mit hoher Bandbreite. Es handelt sich um Dual-Chip-Lösungen der Tiger Lake H-Architektur, unterstützt durch Intel® Iris® Xe-Grafik und Intel® Deep Learning Boost zur Steigerung der KI-Leistung sowie integrierte TSN- und TCC-Funktionen.
Bild 4: Der Industrie-PC KBox A-151-TGL mit Intel® Core™-i Prozessoren der 11. Generation bietet ausreichend Rechenleistung auch für anspruchsvolle IoT-Edge- oder KI-Anwendungen und kann mit 4G/5G-Konnektivität oder sogar WiFi 6 erweitert werden.
Tigers Leistung in 3,5
Der 3,5"-SBC-TGL ist ein 3,5"-Einplatinencomputer, der auf Intel® Core™-i U-Serie- und Celeron® 6000-Prozessoren der 11. Generation basiert. Kontron bezeichnet ihn als Tiger Lake UP3. Zusätzlich ist er mit einer Intel® Iris® Xe-Grafikeinheit der nächsten Generation ausgestattet. Die daraus resultierende Leistung von Prozessor, Grafik und KI macht ihn ideal für rechenintensive Anwendungen wie KI oder Deep Learning.
Dank seiner hervorragenden Eignung für Computer-Vision-Anwendungen und latenzarme deterministische Berechnungen ist es ideal für industrielle Anwendungen. Darüber hinaus unterstützt das Board 8K-Videostreaming mit 60 Bildern pro Sekunde (fps). Über die B2B-Schnittstelle lassen sich vier unabhängige Displays gleichzeitig via DisplayPort mit einer Auflösung von 4K bei 60 fps ansteuern. Die TDP ist im BIOS konfigurierbar. Dies ermöglicht die Entwicklung von Systemen, die hinsichtlich der Kühlungsanforderungen individuell auf die jeweiligen Kundenprofile zugeschnitten werden können.
Sowohl die COM Express®-Module als auch das 3,5"-SBC-TGL sind in Varianten mit einem erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C erhältlich, die für den industriellen Einsatz geeignet sind.
Tiger Lake auf Box PC
Kontron integriert diese Prozessoren exklusiv in die leistungsstärkere Dual-Chip-Version Tiger Lake H seiner neuen Generation von High-End-Industrie-Box-PCs. Ausgestattet mit Intel® Core™ i3-, i5- und i7-Prozessoren mit bis zu acht Prozessorkernen eignen sich die Geräte der KBox C-104-TGL-Familie mit integrierter TSN- und Intel® TCC-Funktionalität besonders für anspruchsvolle Edge-Workloads und bandbreitenintensive High-End-Anwendungen.
Kontron hat den Industrie-PC KBox A-151-TGL auf Basis derselben Prozessoren speziell für datenintensive IoT-Edge- und KI-Anwendungen entwickelt. Er verfügt über einen Erweiterungssteckplatz an der Vorderseite (I/O-Tür), über den zusätzliche Funktionen wie Feldbusse, Schnittstellen (z. B. Grafik, serielle oder digitale I/O) und Ethernet-Schnittstellen integriert werden können. Optional lässt sich das System auch mit 4G/5G- oder WiFi-6-Konnektivität erweitern.
Für alle Anwendungsszenarien
Die KBox C-104-TGL-Familie ist für den Einsatz in Schaltschränken in Automatisierungsumgebungen konzipiert. Das wartungsfreie System ermöglicht den Betrieb ohne Zwangslüftung bis +65 °C. Neben der Standardausführung ist die passiv gekühlte KBox A-151-TGL mit einem erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis +65 °C für den Einsatz in rauen Umgebungen erhältlich. Sie lässt sich einfach per DIN-Schienen- oder Wandmontage in industrielle Anlagen integrieren.
Die Geräte sind optional auch mit einem integrierten Hailo-8™ KI-Beschleunigerchip für anspruchsvolle KI-Aufgaben erhältlich. Der Chip ist mit 3 TOPS/Watt äußerst energieeffizient und dank seines integrierten Speichers extrem schnell; er erreicht eine Inferenzleistung von 26 TOPS (Tera-Operationen pro Sekunde).
Eine höhere Verfügbarkeit in der Zukunft gewährleisten
Für industrielle Anwender ist die langfristige Verfügbarkeit von Hardware ebenso wichtig wie deren technische Eignung. Dies gewährleisten sowohl Intel® als Prozessorhersteller als auch Kontron. „Wir können die Verfügbarkeit funktional gleichwertiger Produkte mit entsprechend steigenden Leistungsdaten über sehr lange Zeiträume garantieren“, erklärt Peter Müller. „So können sich unsere Kunden langfristig auf uns verlassen.“.
Peter Müller, Vizepräsident des Board and Module Product Center bei Kontron, erklärt: „Wenn es um die Eignung von Computerhardware für industrielle Anwendungen geht, sind reine Datenverarbeitungsleistung und Übertragungsbandbreite über Netzwerkleitungen nicht die einzigen Kriterien.“
