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

Autor / Redakteur: Peter Eckelmann * / Margit Kuther

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

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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)

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.

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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.

COM Express, ein mächtiger Formfaktor

Alle Modulformate auf Basis der E3900-Prozessoren sind in ähnlicher Weise für allgemeine Computing-Aufgaben geeignet, jedoch punktet jeder Formfaktor in unterschiedlicher Weise und eignet sich daher für jeweils bestimmte Embedded-Anwendungen. COM Express ist ein mächtiger Formfaktor und bestens geeignet für allgemeine Computing-Aufgaben mit x86-Prozessoren, die bis hinauf zu den Core-Prozessoren skalieren sollen.

Bei Verwendung des C6C-AL (Typ 6) kann bei Bedarf ein anderes Typ-6-Modul mit sehr viel leistungsfähigeren CPUs in dasselbe Trägerboard eingesteckt werden – die Softwareseite wäre natürlich separat zu behandeln. Typ-10-Module wie das C10M-AL haben allerdings eine eigenständige Belegung des (einzigen) COM Express Konnektors, so dass hier keine Typ-6-Module in den Typ-10-Sockel eingesteckt werden können (die ja ohnehin zwei Stecksockel benötigen).

Allen COM-Express-Modulen ist gemeinsam, dass die Schnittstellen auf dem Konnektor im Wesentlichen nur die typischen PC-Signale unterstützen.

SMARC ist ideal für Low-Power-Anwendungen

Anders sieht es aus beim Neuzugang SMARC 2.0, einem modernen COM-Standard mit allen wichtigen PC-typischen Schnittstellen, aber auch mit sehr vielen Embedded-Interfaces, sodass SMARC wohl der geeignetste Standard ist für Low-Power-Anwendungen mit direktem Zugriff auf Embedded-Hardware mit allen denkbaren Ein- und Ausgangssignalen.

SMARC verfügt über zwei Zweikanal-LVDS-Schnittstellen, 2 Ethernet-Ports, IEEE1588 Trigger-Signale, vier PCI Express Lanes, viele USB 3.0 und 2.0 Ports, eSPI, SPI, GPIO und freie (reservierte) Pins zur späteren Erweiterung. Eine Besonderheit von SMARC ist auch die Verfügbarkeit von zwei Größenformaten: 82 mm x 80 mm und 82 mm x 50 mm. Das große Modul MSC SM2F-AL wartet u.a. mit ECC, eMMC und/oder Flash SSD sowie WiFi/BT/NFC als optionale Features auf, während das kleine Modul MSC SM2S-AL mit schnellem DDR4-Speicher ausgestattet ist und die Realisierung sehr kompakter Applikationen erlaubt.

Zielanwendungen von Qseven sind alle Arten von HMI

Die Qseven-Version der Module mit E3900-Prozessoren werden wohl überwiegend diejenigen Entwickler wählen, die schon ein Qseven-Design haben und nun das modernste Modul mit der höchsten Leistung für diesen Formfaktor verwenden möchten. Zielanwendungen sind hier wie dort alle Arten von HMI (Bediensysteme), POS-POI (Verkaufs- und Infoterminals), medizinische Anwendungen niedrigerer Komplexität, Transport und allgemeine Steuerungssysteme.

Core-Prozessoren der 7. Generation „Kaby Lake“

Die neuen „Kaby Lake“-Prozessoren werden, wie bereits die vorhergehenden Core-Prozessoren der 6. Generation („Skylake“), in 14-nm-Technologie hergestellt und weisen eine ähnliche Architektur auf, bieten jedoch durch Optimierungen der Mikroarchitektur eine deutliche Performance-Steigerung bei gleicher Verlustleistung. Zur Familie gehören Core-i7-, i5- und i3-CPUs, aber auch ein Celeron- und zwei Xeon-Prozessoren.

Sie unterteilen sich in drei Gruppen, von denen für COM-Module nur die „H“- und „U“-Gruppen interessant sind, da sie im Verlustleistungsbereich zwischen 15 und 45 W liegen. Prozessoren der „H“-Gruppe sind die leistungsfähigsten CPUs und werden daher auf dem größeren COM-Express-Formfaktor „Basic“ mit 125 mm x 95 mm realisiert, die Core-i3/5/7 und Xeon-Chips liegen bei 2,1 bis 4 GHz Takt (mit Turbo-Modus) und verbrauchen zwischen 25 und 45 W.

Die „U“-Gruppe besteht aus vier Prozessoren (darunter ein Celeron) mit 2,2 bis 3,9 GHz, die alle maximal 15 W verbrauchen und gut auf den „Compact“-Formfaktor mit 95 mm x 95 mm passen. Der Betriebstemperaturbereich reicht jeweils von 0 bis 60 °C. Für erweiterte Temperaturbereiche können auf Wunsch spezielle Auswahlscreenings gefahren werden.

Die auf den Chips integrierte Intel HD Graphics Gen. 9 unterstützt DirectX 12, OpenGL 4.4 und OpenCL 2x. Weitere Merkmale sind eine leistungsfähige Grafikbeschleunigung und hardwarebasiertes Video-Encoding und -Decoding. Es lassen sich drei unabhängige Displays mit einer Auflösung von 4K x 2K ansteuern, die über DisplayPort, DVI/HDMI und LVDS oder embedded DisplayPort (eDP) herausgeführt werden.

COM Express mit Kaby Lake sind die aktuell leistungsfähigsten Module

Die COM-Express-Module mit den „Kaby Lake“-Prozessoren der „H“-Klasse bieten Anwendern die aktuell leistungsfähigsten COM-Module. Die Skalierbarkeit der Performance reicht bis zur 4-GHz-Klasse, deren Grafikleistung sehr hoch liegt, bei Bedarf aber noch über den PCIe x16 (PEG) Slot mit einer externen Grafikkarte erweitert werden kann. Potenzielle Anwendungen für solche Modul-Boliden sind anspruchsvollste Rechen- und Grafikanwendungen aus den Bereichen Steuerungstechnik (Mehrachsen-Regelung), Medizintechnik (Scanner, dia-gnostische Anwendungen), Kommunikation (schnelle Datenpfadverwaltung) und Bild- und Mustererkennung in vielerlei Applikationsbereichen.

Für die kompakten Module mit den Prozessoren der stromsparenden „U“-Klasse findet sich ein weites Feld der Anwendungen bei Rechen- und Grafikaufgaben mittlerer Komplexität, insbesondere wenn der verfügbare Platz knapp ist und das Carrierboard nur geringfügig größer als das Modul mit 95 mm x 95 mm werden darf. Anwendungsbereiche in der Automatisierung, der Bildverarbeitung, Telekommunikation, Medizintechnik und bei POS/POI sind bereits bekannt.

Skalierbare Server-CPUs mit Atom-Kern „Denverton“

Gerade erst hat Intel seine neue C3000-Familie von Server-Prozessoren vorgestellt, die auf der „Goldmont“-Mikroarchitektur (wie Atom „Apollo Lake“) beruht und skalierbar ist zwischen 2 und 16 Kernen. Die Chips haben ein 128 Bit breites Dual-Channel-Interface für bis zu 128 GByte DDR4-Speicher, 16 PCIe Gen. 3 Lanes und 16 SATA-Ports mit bis zu 6 Gbit/s.

Alle CPUs unterstützten die ECC-Fehlerkorrektur im Schreib-/Lesespeicher und bieten zwei oder vier Ethernet-Schnittstellen mit 10 Gbit und 12 oder 20 High-Speed-Interfaces (HSIO, damit bezeichnet Intel einen flexiblen I/O-Adapter, aus dem wahlweise PCIe, SATA oder USB 3.0 gewonnen werden kann). Einige der Chips meistern gar den industriellen Temperaturbereich und sind 15 Jahre verfügbar.

Als Serverprozessoren verfügen diese neuen CPUs über keinerlei Grafik, bieten dafür aber eine besonders große Zahl an Hochgeschwindigkeitsschnittstellen. Daher würde hier eine Realisierung auf einem der bisherigen COM-Express-Formate (Typ 6 oder 10) keinen Sinn machen. Allerdings gibt es in der COM-Express-Spezifikation seit einiger Zeit eine weitere Kategorie (Typ 7), die für genau solche Rechnerchips ausgelegt ist und unmittelbar das Angebot an LAN- und High-Speed-Schnittstellen abbilden kann.

MSC entwickelt ein COM-Express-7-Modul mit Denverton

MSC entwickelt derzeit ein COM-Express-Typ-7-Modul mit den „Denverton“-Prozessoren, das eine breite Skalierbarkeit von vier bis 16 Prozessorkernen und auch günstige Einstiegsvarianten bieten wird. Geplant sind Module mit bis zu fünf Ethernet-Schnittstellen, davon vier mit 10-Gbit-Transferrate, bis zu 2 x PCIe Lanes und Speichermodul-Sockel für bis zu 48-GB-DDR4-ECC-Speicher. Varianten im industriellen Temperaturbereich sind geplant, und weitere Module mit noch leistungsfähigeren Xeon-Prozessoren zukünftiger Intel-Generationen sollen folgen.

Zur Markteinführung der neuen Modulfamilie wird MSC auch ein passendes Carrierboard für Typ-7-Module im ATX-Format vorstellen. Erste Kundenmuster des neuen Moduls und des Evaluation Boards sind bis Ende des Jahres zu erwarten.

Die besonderen Vorzüge dieser Server-Module erschließen sich insbesondere in Anwendungen mit hohem Kommunikationsanteil, also z.B. Serverfunktionalität am Rande der Cloud (IoT Fog Computing) oder in der Telekommunikation, aber auch in industriellen Anwendungen, Luftfahrt, Energietechnik und Robotik.

* Peter Eckelmann ist Product Marketing Manager, Embedded Boards und Module bei MSC Technologies

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