Apollo Lake, Kaby Lake, Denverton – für jedes COM die passende CPU

| Autor / Redakteur: Peter Eckelmann * / Margit Kuther

Das COM Express Typ 10 mit E3900-CPU: Das kleinste COM-Express-Modul belegt nur einen der sonst zwei COM-Express-Steckverbinder.
Das COM Express Typ 10 mit E3900-CPU: Das kleinste COM-Express-Modul belegt nur einen der sonst zwei COM-Express-Steckverbinder. (Bild: MSC Technologies)

Dieser Beitrag stellt Intels interessanteste Embedded-Prozessoren bis hin zum neu angekündigten Denverton vor – mit ihrer spezifischen Eignung für verschiedenste COM-Applikationen.

Die neuen Prozessoren, die Intel auf der „Embedded-Roadmap“ anführt, sind seit letztem Jahr nicht mehr nur sieben, sondern sogar 15 Jahre lang verfügbar. Damit werden sie noch interessanter für Embedded-Anwendungen, die eine lange Verfügbarkeit der Hardware benötigen, z.B. Medizin- und Eisenbahntechnik, Anlagenbau und Militärelektronik.

Von Anfang an hat MSC Technologies nur langfristig verfügbare Komponenten für seine Computer-on-Module (COM) verwendet, die nunmehr mit einer 15-jährigen Verfügbarkeit angeboten werden können. Dieser Beitrag stellt die interessantesten Prozessoren mit ihrer spezifischen Eignung für COM-Applikationen vor.

Intel beendet das Tick-Tock-Modell

Intel hat eine fast unübersehbare Breite von Prozessorprodukten im Angebot, und jedes Jahr kommen neue Serien hinzu. Existierende Familien erfahren fast jährlich eine Verbesserung durch neue Silizium-Generationen, wenn auch das bisherige tick-tock“-Prinzip„ inzwischen nicht mehr strikt eingehalten wird.

Wenn nämlich bisher in einem Jahr auf die nächstkleinere Chiptechnologie übergegangen wurde („tick“), während die Mikroarchitektur erhalten blieb und überhaupt nur Detail-Verbesserungen am Prozessor vorgenommen wurden, folgte regelmäßig ein Jahr bis 18 Monate später eine neue Mikroarchitektur mit verbesserter Leistung („tock“), wobei aber die Siliziumtechnologie dieselbe blieb.

Atom-CPUs auf COM Express, Qseven und SMARC

Wegen der gewünschten Befähigung der Prozessoren, auf Computermodulen wie COM Express, Qseven oder SMARC eingesetzt werden zu können, beschränken wir uns hier auf die Klasse der Atom-CPUs mit ihren Celeron- und Pentium-Geschwistern sowie die Mobilprozessoren der Core-Klasse wiederum mit eventuellen Geschwistern, die hier neben Celeron und Pentium sogar auch Xeon heißen können.

Für die Verwendung auf Embedded-Modulen gelten die Voraussetzungen, dass die Prozessoren langfristig verfügbar bleiben, also auf Intels Embedded-Roadmap stehen, aber auch limitiert sind auf die maximal zulässige Verlustleistung, die für jeden Modulstandard vorgegeben ist und in der Nähe des Grenzwerts durchaus erhöhte Anforderung an die Kühlungsmaßnahmen durch den Anwender stellt. Für genauere Informationen darüber, ob ein gegebener Prozessor auf der Embedded Roadmap steht und mit welcher maximalen Verlustleistung (TDP) zu rechnen ist, kann die Website http://ark.intel.com herangezogen werden.

Atom E3900 „Apollo Lake“ auf der Überholspur

Seit ihrer Einführung vor acht Jahren erfreuen sich die Atom-Prozessoren von Intel einer lebhaften Nachfrage, die gut ein Jahr später mit der Verfügbarkeit der E600-Produkte („Tunnelcreek“) im industriellen Temperaturbereich nochmals befeuert wurde. Es wurde damals sogar eigens ein Modul-Formfaktor für Atom-Prozessoren aus der Taufe gehoben: Qseven. Auf Basis der damals vorherrschenden COM-Standards wäre keine günstige Implementierung (ETX) bzw. kein niedriger Preispunkt (COM Express) zu treffen gewesen.

Die Z500- und E600-CPUs verfügten über den x86-Befehlssatz (und waren daher für alle Windows-Derivate einsetzbar) und über ausreichend Rechenleistung, um auch HMI-Systeme mit für Menschen ausreichender Reaktionszeit realisieren zu können. Auch war die Verlustleistung niedrig genug, um passiv gekühlte Systeme mit kompakten Abmessungen zu gewährleisten.

Die vor zwei Jahren vorgestellte Atom-Generation E3800 („BayTrail“) brachte einen deutlichen Leistungsschub für Rechnung und Grafik verbunden mit einer nochmals verringerten Verlustleistung zwischen 4 und 8 Watt, und eine komfortable Skalierbarkeit der verfügbaren Leistung durch kompatible Prozessoren mit einem bis hin zu vier Rechnerkernen. Bis dato sind die E3800-CPUs die wohl kommerziell erfolgreichste Familie der Atom-Prozessoren, doch werden sie mit hoher Wahrscheinlichkeit demnächst von ihren Nachfolgern, der E3900-Familie „Apollo Lake“, überholt werden.

Intels E3800- und E3900-Serie sind Systeme on Chips

Bei der E3900-Serie kann man – wie bei der E3800-Familie – von einem System-on-Chip (SoC) sprechen, da das Silizium nicht nur die reine CPU umfasst, sondern auch noch eine leistungsfähige HD-Grafikeinheit (Gen. 9) mit bis zu 18 Execution Units, die bis zu drei unabhängige Anzeigen treiben kann (angeschlossen über zwei DisplayPort/HDMI-Schnittstellen und eine eDP- oder MIPI-DSI-Schnittstelle).

Bis zu vier MIPI-CSI-Kameras können gleichzeitig Live-Bilder aufnehmen. Eine leistungsfähige DDR4/3L-Speicheranbindung sorgt für zwei- bis vierkanaligen Datendurchsatz (wahlweise mit ECC), während zwei SATA-3.1- und 4-PCI-Express-Gen.-2.0-Schnittstellen, 6 USB 3.0 und 2 USB 2.0 Interfaces zusammen mit eMMC, HSUART, SPI und SD/SDIO für die Anbindung von leistungsstarker Peripherie sorgen.

Die Atom-Prozessoren der Apollo-Lake-Serie sind immer im industriellen Temperaturbereich ausgeführt, während die Celeron- und die Pentium-Variante nur im Standard-Temperaturbereich betrieben werden können. Es gibt nur Dual-Core- oder Quad-Core-Prozessoren:

  • X7-E3950: (4C, 1,6 - 2,0 GHz, 18 Grafikeinheiten, bis 12 W),
  • X5-E3940: (4C, 1,6 - 1,8 GHz, 12 Grafikeinheiten, bis 9,5 W),
  • X5-E3930: (2C, 1,3 - 1,8 GHz, 12 Grafikeinheiten, bis 6,5 W),
  • Pentium N4200: (4C, 1,1 - 2,5 GHz, 18 Grafikeinheiten, bis 6 W),
  • Celeron N3350: (2C, 1,1 - 2,4 GHz, 12 Grafikeinheiten, bis 6 W).

Aufgrund der Ausführung als Single Chip und der kompakten Bauform, aber auch wegen der begrenzten Leistungsaufnahme passen die Prozessoren auf alle COM-Formate und können dort mit weniger oder mehr Peripherie-Funktionalität versehen werden:

  • C6C-AL: COM Express Compact, 95 x 95mm, alle CPUs, 2x SO-DIMMs, µSD, eMMC,
  • C10M-AL: COM Express Mini, 84 mm x 55 mm, alle CPUs, bis zu 8 GB DRAM, eMMC,
  • Q7-AL: Qseven 2.1, 70 mm x 70 mm, alle CPUs, bis zu 8 GB DRAM, eMMC,
  • SM2F-AL: SMARC 2.0, 82 mm x 80 mm, alle CPUs, bis zu 8 GB DRAM, eMMC, SSD, WiFi/BT,
  • SM2S-AL: SMARC 2.0, 82 mm x 50 mm, alle CPUs, bis zu 8 GB DRAM, eMMC.

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