Edge Computing wird immer populärer, um am Rand des Netzwerks Cloud-Systeme effizient zu unterstützen. Doch welche Module bzw. IPC-Systeme kann man dafür sinnvoll einsetzen? Welche Prozessoren nutzt man? Wir stellen einige Möglichkeiten vor.

Um den exponentiell wachsenden Datenströmen im Internet of Things (IoT) und insbesondere in der industriellen Ausprägung, der Industrie 4.0, gerecht zu werden, wird immer mehr Rechenleistung aus dem zentralen Rechenzentrum an die äußeren Ränder des Netzwerks verlagert. Vor allem die hohe Skalierbarkeit und Flexibilität spricht für Edge Computing als Ergänzung zur Cloud. Für mehr Intelligenz und Effizienz am „Edge“ sorgen neueste Prozessorgenerationen in Kombination mit standardisierten Computer-on-Modulen (COM), Single-Board-Computern (SBC), Edge- und Fog-Technologien sowie entsprechender Middleware. Skalierbare Embedded-Computing-Lösungen bieten die Möglichkeit, die lokale Rechenleistung flexibel an spezifische Applikationsanforderungen anzupassen.
Kontron setzt dabei neben COM Express und Qseven Modulen mit x86-Architekturen vor allem auch auf standardisierte Computer-on-Module auf Basis des kompakten SMARC 2.0-Standards mit aktuellen ARM-Technologien für stromsparende Anwendungen. Je nach Ausprägung und in Abhängigkeit vom Prozessortyp können die jeweils benötigten Funktionalitäten für unterschiedlichste Anforderungen hinsichtlich Bedienung/Visualisierung, Steuerung und Kommunikation zur Verfügung gestellt werden.

SMARC-Module mit i.MX-Prozessoren von NXP

Zu den Industrie-4.0-Lösungen von Kontron zählen unter anderem SMARC 2.0-Module, die auf der i.MX-Technologie von NXP basieren. Das i.MX-Portfolio umfasst inzwischen acht Familien, wobei die neuesten - i.MX6, i.MX7 und i.MX8 - mit fortschrittlichen ARM-Kernen ausgestattet sind. Im Rahmen der Entwicklungszusammenarbeit zwischen beiden Unternehmen integriert Kontron neben den i.MX-Prozessoren auch Layerscape-Prozessoren in seine Computer-on-Module und Edge Gateways. Damit lassen sich ebenfalls innovative IoT- und Edge-Computing-Lösungen realisieren.

Skalierbares Ultra-Low-Power-Modul

Die i.MX6-Familie war die erste skalierbare Multi-Core-Plattform innerhalb des i.MX-Portfolios von NXP, die Single-, Dual- und Quad-Core-Varianten der ARM Cortex-A9-Architektur beinhaltete. Neben einer Option mit einem einzelnen Cortex-A7-Kern setzte die i.MX6-Reihe zudem als erste den Cortex-M4-Kern für Echtzeit-Anwendungen ein. Bei nachfolgenden i.MX-Generationen ist dies Standard.
Die i.MX6-Prozessorfamilie zeichnet sich unter anderem durch eine energieeffiziente Grafik- und Rechenleistung sowie ein hohes Integrationsniveau aus. Langjährig erprobt nicht zuletzt in Industrie-Anwendungen, eignet sich der i.MX6 nach wie vor für eine Vielzahl von allgemeinen Embedded-Anwendungen.

Breites Spektrum

Der i.MX6-Prozessor bildet die Basis des SMARC-sAMX6i Moduls für den industriellen Temperaturbereich von -40°C bis +85°C. Es handelt sich dabei um ein Ultra-Low-Power-Modul mit einem System-on-Chip, das von Single-Core bis Quad-Core umfassend skalierbar ist. Das SMARC-Modul mit dem i.MX6 deckt ein äußerst breites Leistungsspektrum ab. Die Cortex-A9-Technologie ermöglicht eine effiziente Entwicklung intelligenter Geräte, die ein kompaktes, lüfterloses Design sowie eine ausgeglichene Prozessor- und Grafikleistung erfordern.
Zu den Leistungsmerkmalen des SMARC-sAMX6i Moduls gehören unter anderem 2 GB RAM, die Steuerung von bis zu zwei Displays, HD mit 1080p Decode/Encode und 2D- und 3D-Beschleunigung.

Kleine, leistungskritische Applikationen

Die 2017 eingeführten i.MX7-Prozessoren nutzen weiterhin einen ARM Cortex-A7-Core sowie einen Cortex-M4-Core für die programmierbare Universal-Verarbeitung/Echtzeitsteuerungen. Die heterogene, asymmetrische Architektur ist die Basis einer Single-Chip-Lösung für anspruchsvolle Betriebssysteme und ermöglicht eine Echtzeit-Reaktion.
Die hochintegrierten Prozessoren sind nicht nur kostengünstiger, sondern auch energieeffizienter als die Vorgängerserie. Sie besitzen nur ein Drittel des Leistungsbedarfs der i.MX6-Prozessoren und eignen sich damit vor allem für mobile Anwendungen innerhalb des IoT mit Schwerpunkt auf geringem Stromverbrauch bei batteriebetriebenen Geräten. Die Prozessorfamilie ermöglicht zudem eine unabhängige Steuerung und eine flexible Energieversorgung. So kann beispielsweise der Cortex-A7-Kern im Stand-by-Modus oder bei geringer beziehungsweise mittlerer Leistungserfordernis abgeschaltet werden.
Kontron war der erste Embedded-Hersteller, der NXP i.MX7-basierte Computer-on-Module mit SMARC- und Qseven-Versionen auf den Markt brachte. Die extrem effizienten SMARC-sAMX7 Module mit Single- oder Dual-Core NXP i.MX7-Prozessoren bieten ein breites Performance-Spektrum. Sie eignen sich für kleine und leistungskritische Applikationen, sei es auf mobilen Endgeräten oder in Edge-Router- und Gateway-Geräten in industriellen IoT-Umgebungen. Zu den Leistungsmerkmalen gehören bis zu 2 x 1 GHz Cortex-A7- und 200 MHz M4-Prozessoren, bis zu 2 GB RAM und eine Dual Channel LVDS-Schnittstelle, bis zu drei PCIe-Schnittstellen und ein oder zwei Gigabit-Ethernet-Ports.

Mehr Leistung bei geringer Energieaufnahme

Zeitgleich zur i.MX7-Reihe hat NXP die i.MX8X-Prozessoren eingeführt. Diese sind eine Weiterentwicklung der i.MX6-Familie für den industriellen Temperaturbereich von -40°C bis +85°C mit mehr Leistung, die hochgradig skalierbar ist. Die i.MX8-Serie kann bis zu drei Displays gleichzeitig steuern. Mehrere Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen-Optionen ermöglichen eine umfassende System-Konnektivität.
Die i.MX8X-Prozessoren in Dual-Core- oder Quad-Core-Konfiguration bilden die Grundlage des neuen SMARC-sAMX8X Moduls von Kontron. Das Modul zeichnet sich durch eine geringe Energieaufnahme aus und eignet sich insbesondere für vernetzte Endgeräte in industriellen Steuerungs- oder Robotikanwendungen oder für anspruchsvolle Grafikapplikationen. In den drei Standard-Varianten stehen mit dem QuadX+, dem Dual+ und dem DualX Prozessor bis zu vier Cortex-A35-Kerne zur Verfügung. Wie bei den anderen i.MX-basierten Modulen kann ein zusätzlicher Cortex-M4-Kern für kleinere Management-Aufgaben oder Echtzeit-Steuerungen im System genutzt werden.
Eine Alternative zu einem COM mit i.MX8 ist ein Embedded Single-Board-Computer wie das neue pITX-Kleinformat von Kontron. Die piTX-i.MX8M ist mit einem NXP i.MX8M ARM Multi-Core Cortex-A53-Prozessor ausgestattet und bietet neben zwei Gigabit-Schnittstellen auch leistungsstarke Grafikfunktionen.
Um seine eigenen Industrie-4.0-Edge-Gateways sowie die Designs seiner Kunden zu unterstützen, hatte Kontron außerdem zur SPS IPC DRIVES 2018 ein SMARC-Modul mit dem Layerscape-Prozessor NXP LS1028 auf den Markt gebracht. Das Kontron SMARC-sAL28 mit dem energiesparenden Dual-Core Cortex-A72-High End ARM Prozessor eignet sich insbesondere für Echtzeitanwendungen im industriellen Temperaturbereich -40°C bis +85°C, die eine multiple Ethernet-Konnektivität erfordern. Eine der PCIe-Lanes kann als QSGMII-Port genutzt werden, um so bis zu fünf TSN-fähige 1GB Ethernet Ports zu betreiben. Das hochintegrierte Modul stellt die derzeit kostengünstigste Lösung dar, um TSN-fähige IoT-Gateways zu implementieren.

Fazit

Vordefinierte, skalierbare Embedded-Module wie die von Kontron tragen dazu bei, die für IoT- und Industrie-4.0.-Anwendungen immer wichtiger werdende Intelligenz und Effizienz am Netzwerkrand bereitzustellen und die Steuerung entsprechender Edge Computing-Architekturen zu vereinfachen. Neben den NXP- basierten SMARC-Modulen bietet Kontron weitere Boards und Module auf Basis aktuellster NXP, AMD und Intel® Prozessor-Generationen an.