În trecut, rareori era nevoie să se pună accent pe un număr mare de nuclee, deoarece majoritatea sistemelor embedded consacrate aveau puține procese paralele de executat. Odată cu Industria 4.0 și digitalizarea IIoT, această imagine s-a schimbat radical.
Gateway-urile IoT și computerele de la marginea rețelei (edge computers) nu dispun de suficiente nuclee. Mulțumită tehnologiei procesorului AMD Ryzen™ Embedded V2000 și suportului pentru hipervizorul RTS, noile module COM Express Type 6 de la congatec sunt perfecte pentru aceste cerințe ale aplicațiilor de tip gateway IoT.
Figura 1: Cu până la 8 nuclee, computerele-pe-modul (CoM) bazate pe AMD Ryzen Embedded V2000 pot procesa mai multe sarcini în paralel. ▶
© Ekkasit919 / Dreamstime.com / congatec
Anterior, sistemele embedded x86 clasice obișnuiau să grupeze ce mult controlul și HMI într-un singur sistem − dacă exista vreo consolidare a sarcinilor. În prezent, Industria 4.0 și digitalizarea IIoT necesită multe sarcini suplimentare de gateway și edge computing, pentru a citi și analiza toate datele, a transcoda jurnalele, a trimite alerte și așa mai departe. Accesul la o mulțime de instanțe trebuie, de asemenea, gestionat − de la dispozitive și utilizatori la administratori, atât în numele clientului, cât și al producătorului de echipamente originale. La nivel local, dar și de la distanță. Cu VPN, criptare, firewall, liste albe, detectarea intruziunilor și alte caracteristici de securitate. Și, nu în ultimul rând, trebuie gestionată comunicația OPC-UA − în timp real și cu suport TSN.
Control și gateway IoT într-un singur sistem
În prezent, mașinile și sistemele existente sunt adesea modernizate cu aceste (și multe alte) funcții noi, folosind sisteme gateway externe. În noile proiecte OEM care urmează să fie încorporate în mașini și sisteme, controlul și interfața grafică au tendința de a fi integrate direct.
În interesul consolidării hardware-ului, astfel de soluții noi permit integrarea tuturor funcțiilor diferite într-un singur sistem.
Uneori, chiar și mai multe elemente de control ale celulelor de producție sunt condensate într-un singur sistem.
Sistemele de control comunică și astăzi prin Ethernet, dar se întâmplă adesea ca o mașină virtuală să “vorbească” cu alta. Doar senzorii și sistemele de viziune, precum și actuatoarele/driverele roboților din producție sunt apoi distribuite în celula de producție propriu-zisă. Comunicarea are loc din ce în ce mai mult prin IP în timp real, folosind de multe ori un simplu cablu Ethernet cu o singură pereche de fire prin 10BASE-T1S sau 10BASE-T1L. Alegerea între S sau L se rezumă la întrebarea dacă sistemul trebuie să comunice pe o distanță de cel mult 25 de metri în producția discretă sau până la 1000 de metri în industriile de proces. Cu toate acestea, implementările includ din ce în ce mai mult funcționalitatea prin IP și, datorită suportului TSN, se ocupă și de timpul real determinist.
Figura 2: Pentru a consolida multiple aplicații edge într-un singur sistem, dispozitivele congatec Server-on-Modules suportă tehnologia hypervisor în timp real oferită de Real-Time Systems. © congatec
Este posibil un TDP mai mic de 1 watt per nucleu
Va necesita o astfel de integrare ridicată instalarea de camere de server cu aer condiționat în celulele de producție? Nu, din fericire! Mai întâi, pentru că vor fi disponibile în curând noi module de server COM-HPC, care oferă servere ‘edge’ robuste cu performanțe de centru de date ‘entry-level’. În al doilea rând, pentru că numărul de nuclee din sistemele client a crescut și el, de la standardul de 2 sau 4, până la 8. Important este că aceste sisteme încă nu necesită răcire cu ventilator.
Modelul de vârf actual pentru astfel de sisteme este noul procesor AMD Ryzen™ Embedded V2000, care dispune de până la 8 nuclee și suportă până la 16 fire de execuție. congatec îl oferă pe module computer-on-module COM Express Compact Type 6 care permit reducerea spațiului. Cu performanțe de două ori mai mari decât cele ale procesoarelor AMD Ryzen™ Embedded V1000 anterioare, modulele stabilesc un nou reper de performanță per watt care, conform testelor AMD, oferă cele mai mari creșteri de performanță în modelele cu TDP de 15 wați.
Dacă TDP-ul procesorului AMD Ryzen™ Embedded V2718 este redus la 10 wați, sunt posibile soluții care consumă doar 1,25 wați TDP per nucleu x86, fără a lua în considerare alte caracteristici, cum ar fi nucleele grafice.
Saltul remarcabil de performanță al acestei platforme cu consum redus de putere a fost validat cu suita de testare cross-platform Cinebench R15 nt, care simulează scenarii de aplicații din lumea reală.
În comparație cu modulele cu procesoare AMD Ryzen™ Embedded V1608B, modulele conga-TCV2 oferă cu 97% (V2516) și cu până la 140% (V2718) mai multă performanță pe un număr de până la 8 nuclee. Datorită noilor nuclee Zen 2 pe 7nm, performanța pe un singur nucleu este, de asemenea, mai mare cu 25% până la 35%. Acest lucru face ca noile module să se potrivească perfect pentru diversele sarcini ale sistemelor embedded fără ventilator conectate 24/7 și implementate pe o gamă largă de terminale industriale.
Prin urmare, gateway-urile multifuncționale destinate aplicațiilor industriale de margine reprezintă un domeniu de aplicare major. Cu până la 40% mai multe performanțe GPU pentru plăci grafice de până la 4x 4k60 și suport complet pentru GPGPU, sistemele ‘machine vision’ și ‘machine learning’ sunt alte piețe țintă.
Figura 3: Procesoarele AMD Ryzen Embedded V2000 vs. procesoarele Intel Core i7 din generația a 9-a și a 10-a. Deoarece câștigul de performanță este distribuit pe 8 nuclee, noile procesoare sunt literalmente predestinate pentru multitasking la marginea rețelei. © AMD
Sisteme fără ventilator și cu răcire pasivă
Noul procesor AMD Ryzen Embedded V2000 este, desigur, o alegere excelentă și pentru sistemele răcite activ cu TDP de 54 de wați. Cu toate acestea, nu sunt rare cazurile în care clienții solicită sisteme fără ventilator și răcite pasiv cu TDP de 15 wați sau chiar mai puțin. Scopul unor astfel de limitări stricte ale consumului de putere este pentru a permite sisteme extrem de robuste, complet închise, pentru o funcționare fiabilă 24/7 în medii dificile.
Pentru astfel de aplicații, câștigul de performanță per watt oferit de noile procesoare AMD Ryzen Embedded V2000 este ideal. Și întrucât aceste câștiguri sunt strâns legate de numărul mai mare de nuclee, procesoarele V2000 sunt predestinate pentru utilizarea ca platforme multitasking la marginea sistemului.
Hipervizoarele sunt esențiale pentru multitasking
Dar cum integrați toate aceste sarcini diferite − mai ales atunci când proiectarea controlului trebuie să fie deterministă și este necesară o comunicație în timp real prin Ethernet susținută de TSN?
În sistemele embedded care au nevoie de control în timp real − lucru pe care îl solicită multe aplicații industriale din mediul Industrie 4.0 − nu mai este posibil să se plaseze pur și simplu un container deasupra sistemului de operare pentru a încapsula în mod efectiv sarcinile individuale. În schimb, controlul în timp real necesită un acces hardware complet și exclusiv. Prin urmare, multitasking-ul în timp real are nevoie de o tehnologie de hipervizor capabilă să funcționeze în timp real, așa cum este oferită de Real-Time Systems.
Toate modulele CoM (Computer-on-Modules) x86 de la congatec suportă în mod implicit tehnologia hypervisor, iar compania se ocupă și de procesul de implementare pentru clienți în colaborare cu dezvoltatorii de la Real-Time Systems.
În principiu, acest lucru oferă posibilitatea de a integra un control dedicat pe fiecare dintre cele 8 nuclee ale noului Computer-on-Module și de a opera aceste controale în mod independent, astfel încât, la restartarea unuia dintre cele 8 nuclee, să nu fie afectată capabilitatea în timp real a celorlalte mașini virtuale.
Proiectare flexibilă a sistemului pentru fiecare aplicație
În practică, vor exista instalații din sistem care găzduiesc una sau mai multe comenzi în timp real în mașini virtuale separate ale hipervizorului RTS pentru a permite controlul determinist al fiecărui robot dintr-o celulă de producție. Pentru toate celelalte sarcini, pot fi deschise una sau mai multe mașini virtuale suplimentare, iar virtualizarea containerelor poate fi implementată deasupra sistemului lor de operare. Acest lucru poate fi realizat utilizând Docker, un software open-source pentru izolarea aplicațiilor acolo unde nu este necesar timpul real.
Figura 4: Noile module de înaltă performanță conga-TCV2 COM Express Compact cu pinout Type 6 se bazează pe cele mai recente procesoare multicore AMD Ryzen Embedded V2000 și sunt disponibile în 4 variante diferite. © congatec
O astfel de soluție este extrem de convenabilă, deoarece grupul de containere conține toate datele necesare implementării aplicației. Ca urmare, aceste fișiere de date sunt, de asemenea, mai ușor de instalat și de transportat, ceea ce simplifică în cele din urmă managementul resurselor. Atunci când alocarea flexibilă a resurselor (mulțumită tehnologiei hipervizorului în timp real RTS și virtualizării containerelor cu Docker) este cuplată cu oportunitățile de scalare a resurselor prin alegerea modulelor adecvate în funcție de cerințe, devine mai ușor să se creeze computere edge și gateway-uri IoT perfect personalizate și adaptabile la cerințele în continuă schimbare.
Deoarece TDP este configurabil, dezvoltatorii îl pot, de asemenea, scala pentru a corespunde exact cerințelor sistemului. Disponibile în două variante cu 6 și 8 nuclee, noile procesoare AMD Ryzen Embedded se situează în prezent pe primul loc în clasa clienților embedded, cu un TPD care este scalabil de la 10 la 54 de wați pentru toată familia.
Setul de caracteristici în detaliu
Noile computere-pe-modul (CoM) conga-TCV2 cu procesoare AMD Ryzen Embedded V2000 oferă 6 până la 8 nuclee și dispun de 4MB cache L2, 8MB cache L3 și până la 32GB de memorie DDR4 dual-channel pe 64-biți, rapidă și eficientă din punct de vedere energetic, cu până la 3200 MT/s și suport ECC pentru a garanta securitatea maximă a datelor. Grafica integrată AMD Radeon™ cu până la 7 unități de procesare poate fi utilizată ca GPGPU.
În plus, aceasta suportă până la patru display-uri independente cu o rezoluție de până la 4k60 UHD prin 3x DisplayPort 1.4/ HDMI 2.1 și 1x LVDS/eDP, devenind astfel o interfață grafică extrem de puternică pentru mașini și sisteme, precum și pentru computerele din stațiile și camerele de control.
Alte interfețe orientate spre performanță includ 1x PEG 3.0 x8 și 8x benzi PCIe Gen 3, 4x USB 3.1, 8x USB 2.0, până la 2x SATA Gen 3, 1x Gbit Ethernet, 8 I/O GPIO, SPI, LPC și 2x UART moștenite, asigurate de placa de control. Modulele suportă hipervizorul RTS, precum și sistemele de operare Microsoft Windows 10, Linux/Yocto, Android Q și Wind River VxWorks. Procesorul integrat AMD Secure ajută la criptarea și decriptarea RSA, SHA și AES cu accelerare hardware, ceea ce este important pentru aplicațiile critice din punct de vedere al siguranței.
Suportul TPM este, de asemenea, oferit pe placă. Mai multe informații despre noul modul de înaltă performanță conga-TCV2 COM Express Compact Type 6 sunt disponibile la: https://www.congatec.com/en/products/com-express-type-6/conga-tcv2/
Nota redacției
TPD – Thermal Design Power; uneori numit punct de proiectare termică, este cantitatea maximă de căldură generată de un cip sau componentă a calculatorului (adesea un procesor, GPU sau un SoC – sistem pe un cip) pe care sistemul de răcire dintr-un computer este proiectat să-l disipeze, indiferent de volumul operare.)
Containerele sunt o formă de virtualizare a sistemului de operare. Un singur container poate fi utilizat pentru a rula orice, de la un microserviciu sau un proces software mic până la o aplicație mai mare. În interiorul unui container se află toate executabilele necesare, codul binar, bibliotecile și fișierele de configurare.
Despre autor
Andreas Bergbauer, este Senior Product Line Manager la congatec.
