Die Prozessortechnologie der AMD Ryzen Embedded V1000 Series gilt im Bereich des Embedded Computing als besonders effiziente Mikroarchitektur für viele Embedded-, Industrie- und IIoT-Anwendungen. Diese SoC-Lösung integriert nahtlos die „Zen“-CPU- und „Vega“-GPU-Architekturen und kombiniert eine diskrete GPU-Performance von bis zu 3,61 TFLOPS mit höchster Rechenleistung. Zu den Verbesserungen zählen eine IPC-Leistungssteigerung der CPU um 52 Prozent, Verbesserungen des Durchsatzes/Takts der GPU um 200 Prozent im Vergleich zu Vorgängerplattformen sowie ein Preisvorteil gegenüber alternativen Wettbewerbsoptionen.

Zudem unterstützt die AMD Ryzen Embedded Prozessorfamilie eine große Bandbreite von Temperatur-Designprofilen (TDPs) – mit Embedded Prozessoren, die auf bis zu 6 W TDP herunterskalieren können. Damit helfen sie Entwicklern eine optimale Performance pro Watt zu erreichen und thermische Beschränkungen zu minimieren. Solche Low-Power-Prozessoren ermöglichen zudem auch lüfterlose und vollständig geschlossene Systemdesigns, die das Eindringen von Schmutz und Partikeln in rauen Umgebungen verhindern, und so die Systemzuverlässigkeit erhöhen.

Bei Low-Power Designs sind Performanceverbesserungen jedoch nicht immer der Hauptgrund, warum Entwickler von Industrieapplikationen neue Prozessortechnologien einsetzen. Sie sind vielmehr an den IIoT-Funktionen der neuen Plattform interessiert, die heute auf dem Markt für industrielle Steuerungen stark nachgefragt werden. Hier wurden mit den neusten Prozessoren Verbesserungen erzielt, mit denen industrielles Edge-Computing tiefer als jemals zuvor im Feld der Industrieapplikationen eingesetzt werden können. Mit Edge-Computing können bisher getrennt ausgeführte Aufgaben, wie IIoT-Konnektivität, Visualisierung und Echtzeit-Maschinensteuerung, auf einem einzigen System konsolidiert werden. Damit wird die Sicherheit zu einer der Hauptaufgaben solcher wird. Die neuste AMD-Low-Power-Technologie bietet Entwicklern dafür mehrere neue Funktionen an.

Verbesserte Sicherheit

Die Prozessoren der Serie AMD Ryzen Embedded V1000 verfügen über verschiedene Sicherheitsfunktionen, einschließlich eines unabhängigen AMD-Secure-Prozessors, der Hardware-Validated-Boot-Funktionen bereitstellt, damit Systeme nur mit vertrauenswürdiger Software booten, sowie fortschrittlicher Funktionen, wie Secure Memory Encryption (SME) zum Schutz vor nicht autorisiertem Speicherzugriff und Secure Encrypted Virtualization (SEV) für die sichere Isolation von Hypervisoren und virtuellen Maschinen (VMs). Zusätzlich bietet die Prozessoren der AMD Ryzen Embedded V1000 Familie eine One Time Programmable (OTP)-Funktion, mit der Kunden eigenen Encryption-Schlüssel verwalten können. Damit profitieren Applikationen von einer insgesamt einer deutlich höheren Sicherheit von Haus aus.

Alle diese Funktionen stehen nun auf einer Dual- oder Quad-Core-Plattform zur Verfügung, bei der Entwickler durch den Einsatz der Hypervisor-Technologien Echtzeitaufgaben von der IIoT-Cloud-Konnektivität trennen und sogar verschiedene Betriebssysteme parallel ausführen können. Damit können Echtzeitapplikationen wie auch schon bisher autonom und deterministisch agieren, während parallel auf derselben Hardware-Plattform Edge-Computing-Aufgaben ausgeführt werden, ohne Echtzeitsteuerung zu beeinflussen. Emerson Automation Solutions unterstützt hierfür den RTS-Hypervisor von Real Time Systems. OEMs, die einen solchen Hypervisor einsetzen, können mehrere Aufgaben auf einer einzelnen Plattform konsolidieren und das Echtzeit-Betriebssystem selbst dann weiter ausführen, wenn das GUI oder die Internetverbindung neu gestartet werden muss. Dies spart Kosten für externe Gateways und stellt sicher, dass deterministische Lösungen selbst mit Anbindung an das IIoT oder Internet mit höchster Zuverlässigkeit funktionieren. Die Separierung der Tasks auf einzelne virtuelle Maschinen hilft, die Software-Entwicklung weniger komplex und flexibler zu gestalten, da die Komponenten über virtuelle Kanäle kommunizieren können, ähnlich zur Kommunikation zwischen diskreten Systemen.

Da alle diese Funktionen auf einem applikationsfertigem Computer-on-Module, das nach der COM Express-Spezifikationen der PICMG standardisierte ist, profitieren im Vergleich zu Full-Custom-Designs Systemingenieure von zahlreichen viele Integrationsvorteilen. Computer-on-Module trennen das zugrundeliegende Carrierboard vom Prozessor, wodurch sich gegenüber Full-Custom-Designs für speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) einfacher auf neuste Technologie aufrüsten lassen. Dieser Ansatz erhöht auch die Nutzungsdauer eines Subsystems, da es einfache, kosteneffiziente Upgrades des Prozessors ermöglicht und so hilft, Betriebskosten langfristig zu senken und gleichzeitig mit den sich rändernden Leistungsanforderungen Schritt zu halten. Angesichts der steigenden Nachfrage für IIoT-Konnektivität und Machine-to-Machine-Kommunikation steigen die Leistungsanforderungen zudem drastisch an, da es heute äußerst sinnvoll ist, Daten in verschiedenen Edge-Clouds zu speichern. Unter diesen Umständen stellt die Möglichkeit zur Aktualisierung eines bestehenden Systems durch einen einfachen Modultausch eine äußerst komfortable Lösung dar, die den gesamten Designzyklus sowie die Validierungsanforderungen verringert und somit die Gesamtbetriebskosten (TCO) senkt.

Robustes Design

Die neue Plattform bringt ein robustes Design mit, das selbst unter extremen Umweltbedingungen, bei Stoßeinwirkung und Schwingungen eine hohe Haltbarkeit bietet. Dies macht die Systeme ideal für OEMs, die Computingplattformen für Maschinen in industriellen oder rauen Umgebungen entwickeln. Die Onboard-Komponenten werden speziell aufgrund ihrer Zuverlässigkeit unter anspruchsvollen Bedingungen ausgewählt. Eine zentrale Anforderung ist in diesem Kontext die thermische Leistungsfähigkeit. Hier unterstützt das neue COM Express Mini Design den erweiterten Temperaturbereich von 40°C bis +85°C. Das ermöglicht nicht nur die Entwicklung vollständig geschlossener Systeme für extreme Umgebungsbedingungen, sondern es verbessert auch die Systemperformance, da CPU und GPU auch bei höheren Temperaturen ihren vollständigen Frequenzbereich und somit höchste Leistungsniveaus beibehalten. Um das Design-In zu vereinfachen, bietet die Plattform zudem vorinstallierte Heatsinks/Kühlkörper für eine optimale Entwärmung und einen standardisierten mechanischen Footprint nach der COM Express-Spezifikation. 

Zudem sind der Prozessor und Speicher für maximale Stoß- und Vibrationsfestigkeit aufgelötet. Diese robuste mechanische Auslegung schützt die Module. Eine optionales Conformal Coating bietet sogar größeren Schutz gegen Feuchtigkeit, Staub, Chemikalien und extreme Temperaturen. Für Applikationen beispielsweise in Getränkefabriken, in denen die Systeme Dämpfen und Flüssigkeiten ausgesetzt sind, oder im medizinischen Einsatz, wo ätzende Lösungsmittel für die aseptische Reinigung eingesetzt werden, sind robuste Boards wichtiger denn je. In einigen Fällen werden die Module auch in tragbaren Devices eingesetzt, die herunterfallen können, wenn sie beispielsweise in Krankenhäusern von Raum zu Raum getragen werden. Die neuen Module sind so konstruiert, dass sie Stürze aus 1,5 Metern auf Betonböden überstehen können, was weniger robuste Devices mit hoher Wahrscheinlichkeit nicht überstehen würden. Dank ihrer Robustheit und Zuverlässigkeit minimieren sie auch Stillstandszeiten.

Das neue COM Express Mini Computer-on-Module mCOM10-L1900 ist in drei verschiedenen Konfigurationen erhältlich, mit dem AMD V1605B Quad-Core-Hochleistungsprozessor mit bis zu 3,6 GHz oder dem 3,2 GHz Dual-Core AMD V1202B-Prozessor für den Standard-Temperaturbereich von 0 °C bis 65 °C. Für extreme Anforderungen setzen Kunden das Quad-Core-Modul mit dem AMD V1404I-Prozessor ein, mit einer Performance von bis zu 3,6 GHz im erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C. Alle Varianten bieten eine konfigurierbare TDP von 12 bis 25 W. Die Luftfeuchtigkeit im Betrieb kann zwischen 10 bis 90 Prozent liegen. 

Alle Module verfügen über bis zu 16 GB gelöteten DDR4-2400-Speicher, optional mit ECC für datenkritische Applikationen. Displays werden über DisplayPort++ und eDP an die integrierte AMD Vega Grafikeinheit mit bis zu acht Computing-Units angebunden. Der Gigabit-Ethernet-Port unterstützt sichere Out-of-Band-Management via DASH. An I/Os bietet das mCOM10-L1900-Modul 4x PCI Express 3.0, 7x USB 2.0- und 2x USB 3.0-Ports sowie 8x GPIO oder einen SD-Kartenslot. 2x SATA Gen 3.0 binden robuste SSDs oder kosteneffiziente Festplatten an. Die extreme Robustheit, flexiblen Schnittstellen und der standardisierte COM Express Mini-Formfaktor erlaubt es Emerson Automation Solutions, eine größere Bandbreite von Embedded-Applikationen, wie unter anderem industrielle Automatisierung, Prüfung und Messung, Sicherheit, Transport und Medizin, zu bedienen, wo der neue Computer-on-Module Endnutzern hilft, produktiver zu sein, Ressourcen besser zu verwalten und die Qualität zu optimieren.

SPS ersetzen 

Die neuen COM Express Mini-Module werden auch in Emersons Steuerungssystemen eingesetzt, mit denen Kunden ihre einfacheren SPS ersetzen können. Das Unternehmen setzte diese drei Module beispielsweise auch als zentrale Recheneinheit in seinen PACSystem Rx3i Automatisierungssystemen und seinen Industrie-PCs ein. Dieser unternehmensinterne Einsatz bildet zudem eine solide Grundlage für die langfristige Verfügbarkeit der Module für andere Kunden und stellt sicher, dass die Services, die für Zuverlässigkeit in IIoT-verbundenen Umgebungen erforderlich sind, immer auf dem aktuellen Stand gehalten werden. 

Autor
Peter Missel, Principal Engineer High, Performance Computing