Edge-Computing Wie IoT-Gateway-Module Multitasking am Edge verbessern

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Embedded-Systeme arbeiten bislang meist mit Controllern mit wenigen Prozessorkernen. Doch die Anforderungen steigen, etwa weil mehr parallele Datenverarbeitung gefordert ist. Neue Lösungen sind gefragt.

Auf eine besonders hohe Anzahl an Cores wurde in der Vergangenheit kaum Wert gelegt, da es bei den meisten etablierten Embedded-Systemen nicht allzu viel parallel zu verarbeiten gab. Das hat sich mit den Industrie-4.0-Anforderungen und der IIoT-Digitalisierung dramarisch verändert. IoT-Gateways und Edge-Computer können kaum genug Cores haben. Congatecs neue Module COM Express Type 6 sind dank AMDs Prozessortechnologie Ryzen Embedded V2000 und dem RTS Hypervisor-Support für diese IoT-Gateway-Anwendungsfelder bestens vorbereitet.

Klassische x86-Embedded-Systeme konsolidierten in der Vergangenheit in der Regel maximal Steuerung und HMI auf einem System – wenn überhaupt. Mit der Industrie-4.0- und IIoT-Digitalisierung kommen jedoch zahlreiche weitere Gateway- und Edge-Computing-Aufgaben hinzu: Das Auslesen aller Daten, Transkodieren von Protokollen, Analysieren der Daten und Versenden von Alets und Protokollen. Desweiteren die Verwaltung des Zugriffs mehrerer Instanzen von Devices, Anwendern und Administratoren des Kunden sowie für den OEM – vor Ort und auch aus der Ferne. Mit VPN, Verschlüsselung, Firewall, Whitelisting und Intrusion Detection und weiteren Sicherheitsfunktionen. Hinzu kommt auch der Austausch über OPC-UA in Echtzeit mittels TSN-Support.

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Steuerung und IoT-Gateway in einem System

Diese und viele weitere neuen Funktionen werden an bestehende Maschinen und Anlagen heute oftmals über externe Gateway-Systeme angeflanscht. Bei neuen OEM-Designs, die in Maschinen und Anlagen eingebettet werden, kommen dann auch oft wieder die eigentliche Steuerung und das GUI der Maschine direkt mit dazu. Denn im Zuge der Hardwarekonsolidierung lassen sich bei neuen Lösungen alle Funktionen in ein System integrieren. Bisweilen werden sogar mehrere Steuerungen einer Fertigungszelle auf ein solches System vereint. Sie kommunizieren zwar weiterhin über Ethernet miteinander. Dies teils aber nur noch von einer virtuellen Maschine zur anderen. In der Fertigungszelle selbst verteilt sind dann nur noch die Sensoren und Visionsysteme sowie Aktuatoren wie Antriebe der Fertigungsroboter. Selbstverständlich wird auch hier zunehmend über Echtzeit-IP und dies gerne auch mittels einfacher Single-Pair-Ethernet-Verkabelung via 10BASE-T1S oder 10BASE-T1L kommuniziert. Ob S oder L ist dann nur noch eine Frage, ob das System in der diskreten Fertigung nur bis zu 25 Meter oder in den Prozessindustrien bis zu 1.000 Meter kommuniziert muss. Alles wird aber zunehmend über IP umgesetzt und ist mit TSN-Support auch in deterministischer Echtzeit möglich.

Weniger als 1 Watt TDP pro Core sind möglich

Müssen für eine solch hohe Integration klimatisierte Serverräume in die Produktion installiert werden? Glücklicherweise nicht: Zum einen werden in Kürze die kommenden COM-HPC-Server-Module verfügbar, die Entry-Level-Rechenzentrumsperformance auch für das robuste Edge-Server-Computing verfügbar machen wird. Zum anderen hat sich nun auch die Anzahl der Cores bei Client-Systemen von in der Regel zwei bis vier nun auf bis zu acht erhöht. Und dennoch lassen sich Client-Systeme noch immer komplett lüfterlos betreiben. Der aktuelle Flaggschiffprozessor für derart ausgelegte Systeme ist AMDs neuer Prozessor Ryzen Embedded V2000, der bis zu acht Cores bietet und bis zu 16 Threads unterstützt und den Congatec auf platzsparenden Computer-on-Modules nach dem Standard COM Express Compact Type 6 anbietet. Mit der doppelten Leistung im Vergleich zum bereits eingeführten AMD Ryzen Embedded V1000 setzt das Modul einen neuen Performance-pro-Watt-Benchmark, der seine maximale Leistungsverbesserung nach Tests von AMD in 15-Watt-TDP-Designs entfaltet. Es sind sogar Lösungen möglich, die nur 1,25 Watt TDP pro x86-Core verbrauchen, drosselt man den AMD Ryzen Embedded V2718 auf 10 Watt TDP – ohne weitere Funktionen wie die Grafikcores bei dieser Betrachtung zu berücksichtigen. Der außergewöhnliche Performancesprung dieser Low-Power-Plattform wurde mit der plattformübergreifenden Testsuite Cinebench R15 nt validiert, die reale Anwendungsszenarien simuliert.

Im Vergleich zu Modulen mit AMDs Prozessoren Ryzen Embedded V1608B liefern Congatecs conga-TCV2-Module dabei ein Leistungsplus von 97 Prozent (V2516) bis 140 Prozent (V2718) bei bis zu acht Kernen. Dank der neuen 7-nm-Zen-2-Kerne stieg auch die Single-Core-Performance zwischen 25 Prozent und 35 Prozent. Damit sind die neuen Module ein perfekter Kandidat für die vielfältigen Aufgaben der 24/7-angebundenen und lüfterlos zu betreibenden Embedded-Systeme, die an den unterschiedlichsten industriellen Edges zum Einsatz kommen. Ein großer Anwendungsbereich sind deshalb multifunktionale industrielle Edge-Gateways. Mit bis zu 40 Prozent mehr GPU-Leistung für bis zu 4-x-4-k60-Grafik und umfassender GPGPU-Unterstützung sind auch Machine-Vision- und Machine-Learning-Systeme weitere Zielmärkte.

Lüfterlose und passiv gekühlte Systeme

Die neuen Prozessorverbesserungen in AMDs Ryzen Embedded V2000 sind auch eine gute Wahl für aktiv gekühlte Systeme mit 54 Watt TDP. Es gibt jedoch auch eine nicht unerhebliche Anzahl von Kunden, die lüfterlose und passiv gekühlte Systeme mit 15 Watt TDP oder noch weniger benötigen. Das Ziel solcher restriktiven Vorgaben ist es, höchst robuste, vollständig geschlossene Systeme für den zuverlässigen 24/7-Betrieb in rauen Umgebungsbedingungen zu ermöglichen. In solchen Anwendungen sind die Leistungssteigerungen pro Watt, die der neue AMD Rzyen Embedded V2000 bietet, ideal. Und da sie zu einem nicht unerheblichen Anteil durch die Steigerung der Anzahl der Cores erzielt wurden, sind sie auch vor allem dafür prädestiniert, als Multitasking-Plattformen am Edge eingesetzt zu werden.

Hypervisor ist essentiell für das Multitasking

Wie lassen sich all diese unterschiedlichen Aufgaben ‚unter einen Hut‘ bringen – vor allem, wenn Steuerungen deterministisch ausgelegt sein müssen und TSN-unterstützte Echtzeitkommunikation via Ethernet gefordert ist? In Embedded-Systemen, die Echtzeit erfordern – und das sind nun mal viele industrielle Applikationen des Industrie-4.0-Umfelds – ist es nicht mehr möglich, einfach nur einen Container oberhalb des Betriebssystems zu installieren, um die einzelnen Aufgaben effektiv zu kapseln. Es ist für die Echtzeitsteuerung vielmehr der volle und exklusive Zugriff auf die Hardware erforderlich. Multitasking mit Echtzeit erfordert deshalb echtzeitfähige Hypervisortechnologie wie die von Real-Time Systems, die Congatec standardmäßig auf all seinen x86-Computer-on-Modules unterstützt und zusammen mit den Entwicklern von Real-Time Systems auch für Kunden implementiert. In der Summe wird es so rein theoretisch möglich, auf jedem der acht Cores des neuen Computer-on-Modules eine eigenständige Steuerung zu installieren und diese unabhängig voneinander zu betreiben. Das bedeutet, sie auch mal neu booten zu können, ohne dass die Echtzeitfähigkeit der anderen virtuellen Maschinen beeinflusst wird.

Flexible Systemauslegung für jeden Einsatzzweck

In der Praxis wird es dann beispielsweise Systeminstallationen geben, bei denen eine oder mehrere Echtzeitsteuerungen in einzelnen virtuellen Maschinen des RTS-Hypervisors gehostet werden, um jeden Roboter einer Fertigungszelle deterministisch steuern zu können. Für alle weiteren Aufgaben lassen sich dann eine oder mehrere weitere virtuelle Maschinen aktivieren und oberhalb des dort betriebenen OS eine Containervirtualisierung umsetzen. Beispielsweise mit der Open-Source-Software Docker, die zur Isolierung von Anwendungen überall dort eingesetzt werden kann, wo keine Echtzeit gefordert ist.

Eine solche Installation ist überaus praktisch, da die Container en bloc alle nötigen Daten enthalten, die für die Bereitstellung der Applikation erforderlich sind. Infolge lassen sich diese Dateien auch leichter installieren und transportieren, was schlussendlich die Verwaltung der auf einem Rechner genutzten Ressourcen vereinfacht. Die Summe aus flexibler Allokation der Ressourcen mittels RTS-Echtzeit-Hypervisor und Docker-Containervirtualisierung auf der einen Seite gepaart mit den Möglichkeiten der Ressourcenskalierung durch eine bedarfsgerechte Auswahl der passenden Module macht es dann am Ende leicht, den bestmöglichen Edge-Computer und IoT-Gateway-Zuschnitt zu erstellen und dem sich konstant verändernden Bedarf agil anzupassen.

Mit der konfigurierbaren TDP der Prozessoren kann zudem passend skaliert werden, sodass Entwickler alle Regler in der Hand haben, sich einen idealen Zuschnitt des Systems einzustellen. Die neuen AMD-Ryzen-Embedded-Prozessoren, die in jeweils zwei 6- und 8-Core-Varianten verfügbar sind, belegen in der Embedded-Client-Klasse dabei aktuell Spitzenplätze und lassen über die Familie hinweg eine TPD-Skalierung von 10 Watt bis 54 Watt zu.

Congatecs Modul conga-TCV2 im Detail

Congatecs neue Computer-on-Modules conga-TCV2 mit AMDs Prozessoren Ryzen Embedded V2000 bieten sechs bis acht Cores und verfügen über 4 MB L2 Cache, 8 MB L3 Cache und bis zu 32 GB energieeffizienten und schnellen 64-Bit-DDR4-Dual-Channel-Speicher mit bis zu 3200 MT/s und ECC-Unterstützung für maximale Datensicherheit. Die integrierte Grafik AMD Radeon mit bis zu sieben Recheneinheiten kann als GPGPU eingesetzt werden. Sie unterstützt aber auch bis zu vier unabhängige Displays mit einer Auflösung von bis zu 4k60 UHD über 3 x DisplayPort 1.4/HDMI 2.1 und 1 x LVDS/eDP. Dies macht die Grafik auch zu einer äußerst leistungsfähigen Maschinen- und Anlagen-GUI sowie Leitstands- und Wartenrechner. Weitere leistungsorientierte Schnittstellen sind 1 x PEG 3.0 x8 und 8 x PCIe Gen 3 Lanes, 4 x USB 3.1, 8 x USB 2.0, bis zu 2 x SATA Gen 3, 1 x GBit Ethernet, 8 GPIO I/Os, SPI, LPC, sowie 2 x Legacy UART, die vom Boardcontroller bereitgestellt werden. Zu den unterstützten Hypervisor- und Betriebssystemen gehören RTS Hypervisor sowie Microsoft Windows 10, Linux/Yocto, Android Q und Wind River VxWorks. Bei sicherheitskritischen Anwendungen hilft der integrierte AMD-Secure-Prozessor bei der hardwarebeschleunigten Ver- und Entschlüsselung von RSA, SHA und AES. TPM-Unterstützung ist ebenfalls onboard.

* Andreas Bergbauer ... ist Senior Product Line Manager bei der Congatec AG

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