Platforme de ultimă generație pentru sisteme embedded client multifuncționale

Computerele pe modul cu procesoarele Intel Core din a 12-a generație (denumite anterior Alder Lake) oferă o scalabilitate extraordinară a performanțelor cu cele 4 până la 16 nuclee și 8 până la 24 de fire de execuție (threads).

congatec oferă procesoare Intel Core din a 12-a generație pe COM-HPC Size A și C, precum și COM Express Type 6.(© congatec)▶

Arhitectura lor hibridă, cu nuclee performante și eficiente (P-cores și, respectiv, E-cores), se potrivește unei game largi de aplicații, de la stații de lucru industriale la consolidarea sarcinilor de lucru în mașini și sisteme conectate IoT. Pentru a asigura un nivel ridicat de securitate cibernetică, funcțiile gateway-ului IIoT sunt implementate în mașini virtuale capabile să funcționeze în timp real, în loc de containere. Între timp, aceste noi module computerizate rezolvă, de asemenea, multe dintre problemele de aprovizionare cu care se confruntă OEM-urile pentru produsele lor existente.

Provocările actuale în materie de aprovizionare îi determină pe producătorii de componente electronice să își folosească resursele limitate pentru componente noi cu marjă mare de profit. În cazul în care o aplicație utilizează componente mai vechi, întregul flux de valoare până la produsul OEM finit se confruntă cu probleme imense de achiziție. Noile componente de sistem ar trebui să fie calificate rapid, iar soluția globală să fie certificată în timp record. Dacă sunt afectate cele mai scumpe componente ale unui sistem embedded – și anume procesorul și memoria principală – această provocare poate fi stăpânită mult mai ușor dacă sistemul se bazează pe computere pe modul (COM – Computer-on-Module). Fără a mai menționa că și costurile unice de dezvoltare (costuri de inginerie nerecurente, sau NRE) pot fi amortizate mai sustenabil cu astfel de sisteme modulare.

Stații de lucru și desktop-uri client de ultimă generație

Placa purtătoare compatibilă Micro-ATX pentru modulele COM-HPC Client Size A, B sau C permite dezvoltarea de stații de lucru și desktop-uri client de înaltă performanță și mai sustenabile. Proiectat pentru o disponibilitate embedded pe termen lung de cel puțin șapte ani, modulul conga-HPC/uATX poate fi, de asemenea, adaptat la cerințele OEM, dacă este nevoie. Schemele de proiectare a circuitelor PCB sunt disponibile pentru dezvoltatori la cerere. Placa se adaptează la toate soclurile de procesor și la toți producătorii, deoarece poate fi populată cu orice computer pe modul COM-HPC Client Size A, B sau C de înaltă calitate, ceea ce face ca proiectele OEM să fie și mai flexibile și mai durabile. Aplicațiile tipice variază de la HMI-uri industriale și medicale, controlere edge în timp real, PC-uri industriale și sisteme pentru săli de control până la aplicații de infotainment și de semnalizare digitală și sisteme de jocuri de cazino profesionale. © congatec

Avantajele de sustenabilitate și siguranța sporită a achizițiilor oferite de computerele pe modul nu sunt interesante doar pentru sistemele dedicate cu seturi de interfețe foarte individuale. Soluțiile standard, cum ar fi stațiile de lucru industriale și desktop-urile client de ultimă generație – așa cum se întâlnesc în centrele de control, în tehnologia de imagistică medicală sau în aeroporturi, unde mii de computere susțin totul, de la panourile de afișare a zborurilor până la sistemele de înregistrare și îmbarcare a bagajelor – pot beneficia, de asemenea, de implementarea unor plăci purtătoare (carrier) compatibile cu Micro-ATX cu sloturi COM-HPC, de exemplu. Producătorii de echipamente originale care valorifică astfel de concepte de sisteme modulare pot elimina cerințele tradiționale de revizuire pentru plăcile de bază compatibile ATX standard sau semi-industriale, care sunt de obicei disponibile doar pentru trei până la cinci ani, și pot depăși problemele actuale ale lanțului de aprovizionare: Plăcile purtătoare fără procesoare și memorie pot fi stocate mult mai ieftin, în cantități mai mari reprezentând stocuri de siguranță. Același lucru este valabil pentru toate componentele plăcilor purtătoare, dacă nu se dorește prefinanțarea asamblării cu prea mult timp înainte. Computerele pe modul pot fi decuplate de la logica de planificare a componentelor și pot fi schimbate mult mai flexibil și mai eficient ori de câte ori situația achizițiilor sau întreruperea producției de procesoare individuale impune acest lucru.

În același timp, utilizarea modulelor oferă, de asemenea, o scalabilitate extinsă în comparație cu modelele clasice de plăci de bază, care trebuie configurate pentru socluri dedicate pentru procesoare sau pentru asamblarea BGA. Practic, se poate utiliza întreaga gamă de module COM (Computer-on-Modules) bazate pe procesoare Intel Core din a 12-a generație. Cu alte cuvinte, atât variantele BGA cât și LGA ale acestei generații – și, desigur, toate celelalte procesoare care sunt disponibile pe computerele pe modul. De exemplu, congatec oferă noile procesoare Intel Core în 4 variante de performanță bazate pe BGA și 10 variante bazate pe LGA. Opțiunile de performanță variază de la modulele COM-HPC Client Size C, care oferă cea mai mare performanță embedded client disponibilă în prezent, cu un procesor Intel Core i9 cu 16 nuclee, până la maeștrii optimizării raportului preț/performanță – variantele BGA bazate pe procesorul Intel Celeron 7305E.

Modulele ca strategie de achiziție optimă

Optimizarea raportului preț/performanță în funcție de sarcina specifică unui sistem și/sau a unor întregi familii de sisteme nu mai este limitată de pinii BGA sau LGA ai unui procesor. Mai degrabă, se extinde la întreaga selecție de computere pe modul disponibile pe piață. Acest lucru transformă principiul celor mai bune practici de proiectare pentru loturile industriale în cea mai bună strategie de achiziție pentru a rezolva problemele actuale ale lanțului de aprovizionare. În fapt, aceasta este acum o specificație care se face la nivelul de top al managementului OEM pentru multe proiecte noi. În definitiv, actuala penurie de componente pune o povară imensă, uneori chiar intolerabilă, asupra departamentelor de programare și de achiziții, ceea ce conduce către pierderi financiare imense, care pun în pericol eficiența unor fabrici întregi.

“Noua placă purtătoare de nivel industrial COM-HPC în factor de formă Micro-ATX transferă toate avantajele computerelor pe modul către piața plăcilor de bază industriale și semi-industriale de nivel înalt. Abilitatea de a schimba performanța procesorului cu orice opțiune viitoare fără a fi nevoie să reconstruiți întregul sistem reprezintă, prin urmare, un avantaj imens pentru multe industrii” explică Martin Danzer, Director Product Management la congatec.

Cu toate acestea, noile computere pe modul bazate pe procesoare mobile Intel Core din a 12-a generație oferă nu numai o soluție pentru eventualele probleme de procurare a plăcilor de bază standard sau semi-industriale compatibile ATX. Arhitectura lor hibridă este, de asemenea, mai sustenabilă, deoarece performanța poate fi mai bine echilibrată, ceea ce reduce consumul de energie pentru un TDP dat. Acesta este un aspect din ce în ce mai important în vremuri în care consumul global de energie trebuie să fie redus cu 15%, deși, trebuie să recunoaștem, o reducere a consumului de energie al computerelor embedded din sectorul industrial reprezintă doar o mică picătură în paharul cu apă. Din punct de vedere conceptual, arhitectura hibridă le permite producătorilor de mașini și instalații să beneficieze de alte economii de costuri mult mai mari: mai exact, prin consolidarea sarcinilor de lucru.

Consolidarea sarcinilor de lucru pentru mașini și instalații

Simplul fapt că, pentru prima dată, procesoarele embedded client pot orchestra până la 16 nuclee, oferă suficientă flexibilitate pentru ca multe sisteme de calcul embedded și edge să consolideze sarcini de lucru eterogene într-un singur sistem. Acest lucru economisește costuri imense, precum și energie în timpul funcționării. Și asta nu pentru că o astfel de consolidare era imposibilă înainte. Dar opțiunea de a implementa în mod consecvent o astfel de soluție, pas cu pas, pe o perioadă mai lungă de timp și de a putea adapta apoi platforma în funcție de necesități, cu fiecare nouă funcție, prin adăugarea de noi nuclee, nu a existat niciodată atât de distinct și precis în cadrul unei familii de procesoare ca acum. Anterior, un număr foarte mare de nuclee era oferit doar de procesoarele pentru servere. Acestea erau adesea supraspecificate și prea scumpe pentru multe sarcini în timp real, care sunt adesea distribuite pe nuclee individuale pentru a asigura determinismul. De asemenea, procesoarele pentru servere nu au grafică integrată, în timp ce orice mașină sau sistem din prezent are o interfață grafică puternică. În acest sens, cele 4 până la 16 nuclee ale noilor procesoare Intel Core din a 12-a generație înseamnă un salt calitativ pentru dezvoltatori în ceea ce privește flexibilitatea pentru multitasking, procesare paralelă, virtualizare și scalabilitate – iar acest lucru, de asemenea, în combinație cu cerințele dure de timp real.

Oferind suport pentru tehnologia de hipervizor de la Real-Time Systems, precum și suport pentru sistemele de operare Real-Time Linux și Wind River VxWorks, congatec oferă un pachet de ecosistem cu adevărat complet, care facilitează în mare măsură dezvoltarea de mașini cu sarcini de lucru consolidate și sisteme de control al fabricilor conectate la IoT prin intermediul interfețelor 5G în timp real. Versiunea actuală a hipervizorului Real-Time poate diferenția între nucleele Performance- și Efficient-și poate atribui sarcinile de lucru în mod corespunzător. © congatec

Cele mai rapide module COM Express Type 6 și COM-HPC Client Size A de până acum, cu procesoare Intel Core și Xeon din a 11-a generație, ofereau doar până la 8 nuclee. Dacă doreați să consolidați controlul în timp real, HMI și numeroase funcții de gateway, împreună cu preprocesarea imaginilor și inteligența artificială pe o singură platformă client capabilă să lucreze în timp real, acest lucru era atractiv doar pentru sistemele distribuite mai puțin complexe. Și chiar și în acest caz, se iroseau nuclee mai puternice pentru sarcini în timp real mai puțin consumatoare de energie. Cu toate acestea, saltul tehnologic către consolidarea sarcinilor de lucru este și mai interesant pentru furnizorii care au multă inteligență eterogenă distribuită, deoarece aici potențialul de economisire este și mai mare. Acest lucru necesită însă multe nuclee și, important, nu doar nuclee mari, ci și mai mici. Astfel de arhitecturi eterogene sunt acum disponibile pentru x86.

Până la 16 nuclee și 24 de fire de execuție

Cele până la 16 nuclee și 24 de fire de execuție facilitează foarte mult consolidarea mai multor controlere de roboți omogene, de care clienții pot avea nevoie pentru o anumită etapă de producție sau pentru sarcini specifice de manipulare a materialelor, pe un singur hardware și apoi orchestrarea centralizată a interacțiunii dintre roboți. În acest caz, controlerele comunică exclusiv prin intermediul Ethernet-ului virtual între nucleele individuale, care primesc propria lor mașină virtuală capabilă să lucreze în timp real. Senzorii și actuatorii sunt conectați prin Ethernet, de exemplu. Totul este, de asemenea, sincronizat în timp real, utilizând suportul TCC (Time Coordinated Computing) și TSN (Time Sensitive Network). Din ce în ce mai mult, conectivitatea cu serverele de margine de nivel superior este stabilită cu ajutorul rețelelor wireless 5G din campus și, datorită numărului mare de nuclee, aici sunt disponibile mai multe opțiuni pentru virtualizarea funcțiilor de rețea, care sunt cel mai bine implementate cu hipervizoare de tip 1 (hipervizor de tip “bare metal”, complet capabil de timp real în regim privilegiat) pentru a evita pierderile în timp real. (n.red.: termenul ‘bare metal’ este folosit în mod special pentru servere fizice dedicate care sunt oferite ca atare, fără orice formă de virtualizare). Dacă se îndepărtează cuștile din jurul celulelor de fabricație pentru a realiza aplicații cobot, se implementează tehnologie de senzori extrem de consumatoare de performanță pentru a adăuga cunoașterea situației. Toate acestea necesită o putere de calcul din ce în ce mai mare, pentru care noua tehnologie de procesoare Intel Core oferă acum mult mai multe posibilități.

De exemplu, grafica modulelor bazate pe procesorul LGA, care este optimizată pentru cea mai înaltă performanță embedded client, oferă cu până la 94% mai multă performanță în comparație cu modulele bazate pe procesorul Intel Core disponibile anterior. De asemenea, performanțele lor de inferență pentru clasificarea imaginilor aproape că s-au triplat, cu un randament cu până la 181% mai mare. În plus, modulele oferă o lățime de bandă mult mai mare pentru conectarea unităților de procesare grafică discrete (GPU) pentru cea mai înaltă performanță grafică și pentru performanțele AI bazate pe GPGPU.

Inteligență artificială integrată în procesor

Pe lângă memoria DDR5 rapidă, lățimea de bandă mare și performanța până la PCIe Gen 5, noile module emblematice în format COM-HPC Client impresionează, de asemenea, prin motoarele AI dedicate care acceptă Windows ML, distribuția Intel a setului de instrumente OpenVINO și Chrome Cross ML. Diferitele sarcini de lucru AI pot fi delegate fără probleme către P-cores, E-cores și unitățile de execuție GPU pentru a face față chiar și celor mai intensive sarcini de lucru AI de margine (edge AI). Tehnologia integrată Intel Deep Learning Boost valorifică diferitele nuclee prin intermediul instrucțiunilor Vector Neural Network Instructions (VNNI). Grafica integrată suportă, de asemenea, instrucțiunile GPU DP4a accelerate de AI, care pot fi scalate chiar și pentru GPU-uri dedicate. În plus, Intel Gaussian & Neural Accelerator 3.0 (Intel GNA 3.0) – acesta este acceleratorul AI integrat de la Intel cu un consum de energie ultra-redus – permite reducerea dinamică a zgomotului și recunoașterea vocală. Acesta poate fi activat vocal chiar și atunci când procesorul se află în modul de economisire a energiei.

Computerele pe modul oferă toate aceste caracteristici gata de utilizare, împreună cu suport pentru tehnologia hipervizorului Real-Time Systems și suport pentru sistemele de operare Real-Time Linux și Wind River VxWorks. Pe plăci purtătoare compatibile Micro-ATX, acestea pot fi integrate rapid și eficient în stații de lucru industriale, împreună cu soluții de răcire personalizate, adaptate fiecărui modul. Schemele unor astfel de modele de PCB sunt disponibile la cerere pentru a dezvolta plăci carrier individuale pentru roboți, mașini și echipamente consolidate în funcție de volumul de lucru sau chiar sisteme de semnalizare digitală 8K cu patru monitoare independente. Toate acestea fac din computerele pe modul cu procesoare mobile Intel Core din a 12-a generație un pachet de ecosistem cu adevărat bine pus la punct și complet, care facilitează și accelerează considerabil dezvoltarea de aplicații client de calcul embedded și edge de top, indiferent de specificații.

Tabelul 1: Modulul COM-HPC Client Size C conga-HPC/cALS este disponibil în patru variante cu soclu, ideale pentru stații de lucru industriale și desktop-uri client de ultimă generație.

Tabelul 2: Cele 10 variante de procesoare lipite ale modulului COM-HPC Client Size A conga-HPC/cALP (95 × 120 mm) permit chiar și sisteme client high-end cu răcire pasivă în întregime, atunci când sunt proiectate cu un TDP de până la aproximativ 30 de wați.

Autor:
Jürgen Jungbauer Senior Product Line Manager Alder Lake la congatec

congatec

[sam_ad id=”168″ codes=”true”]