AMDs Ryzen-CPUs fit gemacht für extreme Umgebungsbedingungen

| Autor / Redakteur: Maximilian Kolpak * / Margit Kuther

Rugged COM Express (RCE) von MEN: Arbeitet selbst bei oberhalb von 35 Watt lüfterlios.
Rugged COM Express (RCE) von MEN: Arbeitet selbst bei oberhalb von 35 Watt lüfterlios. (Bild: MEN Mikro Elektronik)

AMDs Embedded-CPUs Ryzen V1000 bieten eine hohe Leistungs- fähigkeit. MEN macht sie auf Rugged COM Express (RCE) fit für extreme Umgebungsbedingungen in sicherheitskritischen Applikationen.

Trotz Prozessorlaunches im Jahrestakt hat sich die Performance in der High-End-Klasse bei Embedded-Systemen in letzter Zeit nur unwesentlich gesteigert. Nun ist mit AMDs neuen Embedded-Prozessoren Ryzen V1000 wieder Schwung in den Markt gekommen. Dank der neuen Zen-Mikroarchitektur ist es AMD gelungen, die In-struktionen pro Takt bei ihrer neuen Prozessorfamilie um bis zu beachtliche 52% zu steigern. In Kombination mit dem nun verfügbaren simultanen Multi-Threading steigt der Performancezuwachs zudem auf mehr als das Doppelte gegenüber den vergleichbaren Vorgängerprozessoren der AMD Embedded R-Series (Merlin Falcon) an.

Höchste integrierte Grafikleistung am Markt

Unangefochtene Spitzenperformance liefert die Grafik. Sie liegt nun bei bis zu 3,6 TFLOPs. Dieses Leistungsniveau war vor wenigen Jahren ausschließlich High-End-Grafikkarten mit mehreren hundert Watt Verlustleistung vorbehalten. Mit AMDs Ryzen- V1000-Familie steht dieses Leistungsniveau nun Embedded-Prozessoren mit integrierter Grafik zur Verfügung. Im Vergleich zum Vorgänger Merlin Falcon ist die Grafik doppelt so stark in der Leistung. Schaut man über den AMD-Tellerrand hinaus, so ist die Grafik der bis zu 11 Compute Units sogar dreimal leistungsfähiger als die des Wettbewerbs. Unabhängig voneinander lassen sich bis zu vier Displays mit einer Auflösung von bis zu 4K-UHD und 10 Bit Farbtiefe ansteuern, was brillante Darstellungen ermöglicht. Unterstützt werden sowohl HDMI 2.0b als auch DP/eDP 1.4.

Neueste Schnittstellen wie USB 3.1 inklusive

Abgerundet wird das leistungsstarke Package der AMD-Prozessoren Ryzen Embedded V1000 durch den Support neuester Schnittstellen. Sie bieten von Haus aus bis zu vier USB-3.1-Gen-2-Schnittstellen, die Transferraten von bis zu 10 Gbit/s erreichen, Gigabit-Ethernet sowie bis zu 16 PCIe Gen 3.0 Lanes für generische Erweiterungen, 2 x SATA Gen 3.0 für Speichermedien und High Definition Audio; neben den typischen Embedded-Schnittstellen wie UART, GPIO, I2C, LPC Bus, SPI und SM-Bus.

Die Summe dieser umfassenden Leistungsmerkmale geht jedoch nicht zu Lasten des Energieverbrauchs, denn die TDP der neuen AMD-Embedded-Prozessoren Ryzen V1000 beginnt bereits ab 12 Watt und skaliert bis maximal 54 Watt. Sie liegt damit im niedrigen bis normalen Bereich aktueller High-End Embedded-Prozessortechnologie. Dank VITA-59-Support kann ein Rugged-COM-Express-Modul (RCE), sogar die 54-Watt-Variante, komplett lüfterlos gekühlt werden. Das ist deutlich mehr, als man mit herkömmlichen COM-Express-Modulen umsetzen kann, die Grenzen liegen hier normalerweise bei 25 bis 35 Watt, je nach Modulgröße. Aber was unterscheidet Rugged COM Express von COM Express? Nicht viel – dafür aber Wesentliches!

Warum Rugged COM Express die beste Wahl ist

Basierend auf dem COM-Express-Standard der PICMG bieten die RCE-Module alles, was auch COM-Express-Module bieten. Das Pin-Out und der Form-Faktor von COM Express sind identisch, um die Kompatibilität zu Modulen anderer Hersteller zu ermöglichen. Die VITA-59-Spezifikation erweitert die COM-Express-Module jedoch um zusätzliche Seitenflügel zur Einbettung in einen standardisierten Aluminiumrahmen (CCA), der für eine optimale thermische Anbindung sorgt. Dieser exakt spezifizierte Rahmen leitet die Abwärme der Hot-Spots wie CPU, Speicher und Spannungswandler sowohl über einen Heatspreader als auch über die Platine (PCB) seitlich an den Rahmen ab, der die Abwärme über Konduktion direkt an das umgebende Gehäuse abführt.

Diese Maßnahmen verringern den thermischen Widerstand der Baugruppe zum Gehäuse, die Temperaturüberhöhung kann damit um bis zu 5 °C gesenkt werden. In Summe führt dies zu einer geringeren thermischen Belastung, was unter anderem die Standzeit und letztlich die Zuverlässigkeit erhöht. Da dieses gesamte Konzept von der VITA standardisiert wurde, bleiben die Herstellerunabhängigkeit und Zukunftssicherheit auch beim Rugged COM Express vollständig erhalten und ein Wechsel des Moduls zusammen mit seinem standardisierten Aluminiumrahmen ist jederzeit möglich.

Selbst bei 54 Watt noch komplett lüfterlos

Wie erwähnt ermöglichen es COM-Express-Module nach VITA-59-Konzept, den AMD-Prozessor Ryzen Embedded V1000 selbst bei 54 Watt Wärmeleistung noch komplett lüfterlos zu kühlen. Das macht solche Hochleistungssysteme deutlich weniger anfällig für Systemausfälle, als bei Kühlung mit Lüftern, sodass sich Rugged COM Express perfekt für Systeme eignet, die eine High-End Embedded-Performance mit Hochverfügbarkeit kombinieren müssen und bei denen der Einsatz von aktiven Lüftern keine Option darstellt. Eine ideale Grundlage also zur Lösung einer Vielzahl neuer Rechen- und Visualisierungsaufgaben im rauen Umfeld.

Prädestiniert sind die neuen RCE-Module vor allem für Einsätze in Straßen-, Nutz- und Schienenfahrzeugen. Das passt auch sehr gut zur Entstehung des Standards, denn ursprünglich wurde Rugged COM Express vor allem für den Bahnbereich entwickelt, da das Kühlkonzept perfekt zu den Anforderungen der EN 50155 passt, bei der es auf eine Eignung für hohe Temperaturschwankungen im erweiterten Temperaturbereich ankommt. Es ging hier also nicht nur um den High-Performance-Bereich, sondern auch um Low- Power-Designs.

Gleichzeitig bieten RCE-Module auch noch eine weitere wichtige Schutzfunktion, nämlich die der hohen elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), da durch das Aluminiumgehäuse die Elektronik von allen Seiten gegen ausgehende und einfallende elektromagnetische Strahlung geschirmt ist. Zusätzlich bietet Conformal Coating, also einer Schutzlackierung der Module, einen verlässlichen Schutz gegen Umwelteinflüsse wie Staub, Feuchtigkeit oder auch Chemikalien. Die feste Verschraubung des Rahmens auf dem Trägerboard bietet zudem eine besonders hohe Schock- und Vibrationsfestigkeit. Reale Größen sind Belastungen von bis zu 5G für Vibration und sogar bis zu 50G bei Stößen. All diese Eigenschaften prädestinieren Rugged COM Express zum Einsatz in nahezu allen In-Vehikel-Applikationen – auf Schienen, auf der Straße und abseits der Verkehrswege.

In-Vehikel-Applikationen für Ryzen-Embedded-Prozessoren

Entsprechend der enormen Performancebandbreite der 15- bis 54-Watt-Prozessoren sind auch die Applikationsfelder für die neuen RCE-Module entsprechend vielfältig. Betrachtet man das High-End-Segment, empfehlen sich vor allem Situational-Awareness-Applikationen, bei denen beispielsweise der Fahrweg durch künstliche Intelligenz überwacht wird, beispielsweise zur Verkehrszeichenerkennung oder um bei Anomalien – wie umgefallenen Bäumen oder sonstigen Fremdkörpern auf dem Fahrweg – eine automatische Bremsung auszulösen. Gleiches gilt selbstverständlich auch für jede mobile Applikation, von kollaborativen Robotern, über autonome Intralogistik-Systeme, bis hin zu autonomen Fahrzeugen für den Straßenverkehr, die ebenfalls hohen Temperaturschwankungen sowie Schocks und Vibrationen ausgesetzt sind.

Vorteilhaft ist in solchen Anwendungen der umfassende GPU-Support der AMD-Prozessoren und die hohe Skalierbarkeit der AMD-Embedded-Grafik, die man auch mit diskreten GPUs von AMD kombinieren kann. Im niedrigeren Leistungssegment reicht das Anwendungsfeld sodann bis hin zu Multi-Display-Cockpitsystemen mit vier unabhängigen Displays für selbstfahrende Fahrzeuge und multifunktionale Edge-Systeme mit virtuellen Maschinen oder auch bis hin zu robusten mobilen Devices für die Instandhaltung mittels Augmented Reality und vielem mehr.

Das Hochleistungsmodul für Extreme

Beziehen kann man solche Module beispielsweise beim Hersteller und Initiator der VITA-59-Spezifikation für COM Express, MEN Mikro Elektronik. Das neue CB71C-Modul des Unternehmens entspricht zu 100% dem COM Express Type 6 Pin-Out und ist verfügbar als ultrarobustes Rugged-COM-Express-Modul inklusive CCA-Aluminiumrahmen, der als Kühlkörper und Schutz vor schädlichen Umwelteinflüssen dient.

Es überzeugt durch eine flexibel skalierbare Auswahl der langzeitverfügbaren AMD-Prozessoren Ryzen Embedded V1000 von 15 W bis 54 W und unterstützt bis zu 32 GByte direkt aufgelötetem DDR4 Arbeitsspeicher, optional auch mit ECC für sicherheitskritische Applikationen. Eine on-board eMMC bietet mit 16 GB Platz für OS und Applikationen. Das Modul entspricht mit 11 x PCIe Gen 3.0, 3 x USB 3.1. Gen 2 (10 Gbit/s), 3 x USB 2.0 sowie 4 x Display Port und 1 x Gigabit Ethernet alle High-Speed-Interfaces der COM-Express-Type 6-Spezifikation. Darüber hinaus integriert das CB71C einen leistungsfähigen Board Management Controller mit Monitoring-Funktionen für sicherheitsrelevante Applikationen. Für hohe Daten- und Anwendungssicherheit verfügt das neue Computer-on-Module über ein Trusted Platform Module und bietet zum Schutz vor physischen und Inter-VM-Speicherattacken eine hardwareseitige Echtzeitverschlüsselung des Arbeitsspeichers.

Es muss nicht immer Rugged COM Express sein

Sicherlich muss es nicht immer Rugged sein. Es gibt auch eine Vielzahl von Applikationen, die man mit normalen COM-Express-Type 6-Modulen umsetzen kann. Deshalb gibt es das neue CB71C auch in konventioneller COM-Express-Ausführung CB71-, die den gleichen hohen Anforderungen entspricht, die auch an Rugged COM Express gestellt werden sowie einer Entwicklungs- und Produktionsgüte, die höchsten Standards entspricht, wie der DIN EN ISO 13485 für das Qualitätsmanagement und der DIN EN ISO 14971 für das Risikomanagement.

Diese Module erfordern bei MEN keine aufwendige Sonderqualifizierung, da bei diesen Modulen quasi nur auf die „Flügel“ verzichtet wird und das CCA durch eine klassische COM-Express-Kühllösung ersetzt wird. Eine solche Güte ist ideal für Applikationen, bei denen es auf hohe Verfügbarkeit, Robustheit und Qualität ankommt oder branchenspezifische Zertifizierungen, und damit eine hohe Dokumentationsgüte, erforderlich sind und in der Regel eine durchgängige Revisionsverfolgung erfordern. Kunden für diese Module finden sich also beispielsweise in der Medizintechnik bis hin zur Wartentechnik in Kraftwerken, aber auch in der industriellen Automation sowie für Payment-, Ticketing- und Vending-Systeme, die auf hohe Qualität und Langzeitstabilität angewiesen sind.

Auch diese beiden Modulvarianten werden übrigens in der Unternehmenszentrale in Nürnberg gefertigt und sind damit, so wie alle Produkte von MEN Mikro Elektronik, nahezu die einzigen Computermodule weltweit die durchweg von der Entwicklung bis zur Auslieferung eine „Made in Germany“-Qualität bieten.

* Maximilian Kolpak.ist Product Solution Manager bei der MEN Mikro Elektronik in Nürnberg.

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