Internet der Dinge Embedded-SoCs machen Geräte fit für das Internet of Things

Autor / Redakteur: Zeljko Loncaric * / Margit Kuther

Die intelligente Vernetzung von Geräten ist im Trend, hat aber ihre Tücken. Hier erfahren Sie, wie sich Systeme mit den passenden Embedded-SoCs fit machen lassen für das Internet of Things.

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AMD Embedded G-Series SOC
AMD Embedded G-Series SOC
(Bild: Tomas L Pantin, Austin TX)

Führende Analysten sehen im Internet der Dinge (IoT) das nächste große Ding. In der Tat sind die Prognosen beeindruckend: Gartner rechnet bis zum Jahr 2020 mit einem explosionsartigen Anstieg der über das IoT vernetzten Geräte auf rund 26 Mrd. Einheiten.

Für alle diese neuen Anwendungen werden intelligente Embedded-SoCs (System-on-a-Chip) gebraucht. congatec liefert vorintegrierte SoCs der AMD Embedded G-Series für ein breites Spektrum von Embedded-Formfaktoren und beschleunigt dadurch die Entwicklung dieser neuen Geräte.

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Laut führender Analysten wird der Markt für vernetzte Geräte bis 2020 auf 26 Mrd. Einheiten anwachsen. Im Vergleich zu 2009 entspricht dies einem Anstieg von 30% und einem durchschnittlichen Marktwachstum (CAGR, Compound Annual Growth Rate) von rund 40%. Dabei ist zu beachten, dass diese beeindruckenden Zahlen noch zusätzlich zu den bis 2020 vorhergesagten 7,3 Mrd. von Tablets und Smartphones hinzukommen.

Vernetzte Geräte werden allgegenwärtig sein

Das Ergebnis: vernetzte Geräte werden allgegenwärtig sein. Wie aber wird ein vormals „dummes“ Gerät fit für das Internet der Dinge? Dazu bedarf es intelligenter, Embedded-Prozessoren, die frei programmierbar und vernetzt sind. Darüber hinaus braucht man Funktionen für Remote-Management sowie die autonome Sammlung, Überwachung und Bereitstellung von Daten, damit die OEMs und Betreiber sowohl die Produktivität als auch die Effizienz ihrer Anwendungen steigern können.

Tipp: congatec informiert auf seinem Messestand in Halle A6, 301 auf der electronica 2014 in München (11. bis 14. November 2014) u.a. rund um das Thema Embedded, Vernetzung und IoT.

All diese Verbesserungen sollen sich in einer zusätzlichen Wertschöpfung von 1,9 Billionen US-$ in verschiedenen vertikalen Märkten niederschlagen. Es liegt auf der Hand, dass sich das Internet der Dinge in vielen verschiedenen Märkten als Game-Changer auswirken wird. Und es gibt bestimmte Marktsegmente, die besonders von dem neuen Trend profitieren werden.

Die Top-Wachstumsmärkte für vernetzte Geräte

Zu den wichtigsten vertikalen Wachstumsmärkten für das Internet der Dinge gehören:

  • Smart Factories: hier führt das IoT zu mehr Produktivität, niedrigeren Lagerkosten und Einsparungen in Produktion und Supply-Chain.
  • Intelligente POS/POI- und Digital-Signage-Anwendungen im Einzelhandel: die Vernetzung von Geräten verändert die Möglichkeiten, wie der Betreiber mit dem Kunden kommunizieren, dessen Verhalten analysieren und Geräte entsprechend optimieren kann.
  • Gesundheits- und Patienten-Monitoring: Das IoT ermöglicht die engere Vernetzung von Geräten und ein datengesteuertes Patienten-Management, was zu Verbesserungen sowie mehr Effizienz bei der Gesundheitsversorgung führt.
  • Professionell vertriebene Gaming-Anwendungen: Verbessertes Gaming- und Entertainment-Erlebnis dank Remote-Zusammenarbeit, Rich Media und On-Demand-Programmen.

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Mit all den Daten, die erzeugt und mittels dezentraler IoT-Geräte verteilt werden, können Ethernet-betriebene, intelligente Speichergeräte außerdem bewirken, dass die entsprechende verteilte Cloud-Storage-Infrastruktur größtmögliche Management-Flexibilität erreicht, und das bei gleichzeitiger Verbesserung der I/O-Leistung, schnellerer Datenwiederherstellung und niedrigeren Kosten pro Gigabyte von Cloud-Storage.

Die Anforderungen an dezentrale IoT-Geräte

Eine wichtige Voraussetzung für alle diese neuen dezentralen IoT-Geräte ist die richtige Prozessorplattform, um den Geräten Intelligenz zu verleihen und sie zu vernetzen. Um die F&E-Ausgaben so niedrig wie möglich zu halten, sollte die Plattform standardisiert sein und alle erforderlichen Schnittstellen in Form von Standardbausteinen liefern.

Darüber hinaus muss die Standardplattform unbedingt frei programmierbar sein. Damit sowohl kleinere als auch komplexere Aufgaben ausgeführt werden können, sollte sie auch skalierbar sein, um höchste Rechen- und Grafikleistung bei gleichzeitig hoher Energie- und Kosteneffizienz zu gewährleisten.

Da die Markteinführungszeit ein immer wichtigerer Wettbewerbsfaktor wird, suchen die Entwickler nach einem vereinfachten Entwicklungsprozess. Sie brauchen daher eine Technologie, die einfache Programmierbarkeit auf der Grundlage allgemeiner Standards sowie ein breites Ökosystem von Peripheriegeräten und Werkzeugketten bietet.

Mit einer solchen Technologie lassen sich der Entwicklungsaufwand reduzieren sowie die Markteinführungszeit neuer Geräte verkürzen.

Darüber hinaus muss die zugrundeliegende Technologie die Anforderungen für Small-Form-Factor- (SFF-) Designs erfüllen, in Kombination mit hoher Langlebigkeit und Zuverlässigkeit, um die Geräte für vorher unerreichbare Anwendungsgebiete tauglich zu machen und die Gesamtbetriebskosten niedrig zu halten. Daher ist es nicht verwunderlich, dass viele Embedded OEMs sich für Low-Power x86-Plattformen entscheiden, die zukünftig sogar noch energieeffizienter werden sollen.

Eine wachsende Zahl von Entwicklern wählt daher immer öfter die Plattformen von AMD, ein Hersteller, der in den letzten Jahren viel in die Steigerung seines Umsatzes und Marktanteils im Embedded-Markt investiert hat. Es gibt eine Reihe guter Gründe für diese Entscheidung.

Die richtige Prozessortechnologie für IoT-Geräte

Die AMD-Embedded-G-Series-SoC-Plattform integriert alle genannten Anforderungen in einem System-on-Chip (SoC-) Design. AMD führt in der Entwicklung einer heterogenen Systemarchitektur (HSA), die auch grundlegend für IoT-Anwendungen ist. Zudem hat AMD die Embedded G-Series SoCs speziell für Power-, Grafik- und kostensensitive SFF-Designs entwickelt.

Sie sind als Dual- und Quad-Core Versionen erhältlich und basieren auf dem „Jaguar“ CPU-Kern mit 28 nm Fertigungstechnologie und der Grafik der AMD Radeon 8000 Serie. Sie können mehr Befehle pro Taktzyklus verarbeiten, was sich auch in der Ausführung von verschiedenen rechenintensiven Industriestandard-Benchmarks widerspiegelt:

Im Vergleich zum Intel Atom erreichen die AMD G-Series SoCs eine 125%ige Verbesserung der CPU-Performance bei der Ausführung von rechenintensiven Standard-Benchmarks [1]. Da die SoC-Plattform zudem EEC- (Error Correction Code) Speicherunterstützung der Enterprise-Klasse liefert, ist sie die perfekte Wahl für Anwendungen, die hohe Datenintegrität ohne Beeinträchtigung der Energieeffizienz erfordern.

Die diskrete Grafik, die in die AMD Embedded G-Series SoCs integriert ist, ermöglicht Power-Anwendungen, für die bisher ein separater Grafikprozessor benötigt wurde. AMD G-Series SoCs liefern bis zu 20% mehr Leistung im Vergleich zur vorherigen AMD G-Series Prozessorgeneration und die fünffache Leistung gegenüber dem Intel Atom D525 Prozessor [2].

DirectX 11 und OpenGL werden auf bis zu zwei unabhängigen Displays unterstützt. Der verbesserte Universal Video Decoder eröffnet neue Möglichkeiten für Hardware-basiertes Video-Encoding. Dank der offenen Computersprache OpenCL können rechenintensive Aufgaben dem Grafikprozessor mit hoher Parallelität zugewiesen werden.

Für solche Anwendungen bietet die integrierte GPU eine Rechenleistung von bis zu 256 GFLOPs. Dies ermöglicht den Einsatz von AMD Embedded-G-Series-SoCs (Bild 1, siehe Bildergalerie) in tief embedded oder „kopflosen“ IoT-Geräten, die ohne Bildschirm, Monitor oder Eingabegerät verwendet werden und keine Grafik-Lösung benötigen.

Die richtigen Boards für IoT-Geräte

Es ist jedoch nicht nur eine Frage der richtigen Embedded-Prozessortechnologie. Sie allein reicht nicht aus, um OEMs in die Lage zu versetzen, innovative IoT-Geräte zu entwicklen. Mehr noch als alles andere benötigen sie dafür geeignete Embedded-Computing-Plattformen, auf die sie ihre Anwendungen stützen können. Um das Design zu vereinfachen, die Markteinführungszeit zu optimieren und die F&E-Anstrengungen so gering wie möglich zu halten, sollten OEMs auf erprobte und bewährte Standards zurückgreifen.

Dieser Ansatz ist auch der beste Garant für höchste Designsicherheit, Zuverlässigkeit und ein hohes Maß an Wiederverwendbarkeit. Die gebräuchlichsten und erfolgreichsten Plattformen für Low-Power SFF-Geräte sind Mini-ITX-Mainboards, während bei Semi-Custom-Designs die Computer-On-Module (COM-) Standards Qseven und COM Express überwiegen.

Der schnellste Weg für OEMs, AMD Embedded G-Series SoCs in ihre IoT-Entwicklungen zu integrieren, ist die Verwendung von Mini-ITX-Mainboards. Sie sind als sofort einsatzbereite Standardkomponenten verfügbar und bieten darüber hinaus ein breites Ökosystem von Drittanbietern, die Bausteine wie Peripheriegeräte, Gehäuse und Kühllösungen liefern. Dies macht die Systementwicklung zu einer komfortablen, schnellen und einfachen Aufgabe.

Allerdings eignet sich nicht jedes Mainboard für die Entwicklung von IoT-Geräten. OEMs sollten auf Hochwertigkeit und langfristige Verfügbarkeit der Boards achten. Ein intelligentes Board-Design, das sich durch hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV), langlebige Komponenten wie POSCAP-Kondensatoren, und einen erweiterten Temperaturbereich auszeichnet, ist eine wesentliche Voraussetzung für zuverlässige IoT-Geräte.

COM-Standards für den Markt von Single-Board-Computern

Mit der Premiere eines ersten Industriemainboards hat congatec sein Knowhow und seine COM-Qualitätsstandards nun auch auf den Single-Board-Computer (SBC-) Markt übertragen. OEMs profitieren hierbei von typisch deutscher Qualität und einem zusätzlichen Dienstleistungsangebot mit einer Verfügbarkeit von mehr als sieben Jahren.

Weitere Beispiele für den gelieferten Mehrwert sind weltweit technische Unterstützung, erweiterte Spezifikationen und kundenspezifische Design-Services, darunter spezielle BIOS/UEFI-Funktionen.

Vorteile von COM

Für Designer, die ein höheres Maß an Anpassung benötigen, ist der COM-Ansatz die beste Wahl. COMs bieten Entwicklern den Komfort und die Sicherheit einer klassischen Board-Lösung plus die Flexibilität kundenspezifischer Designs. Das Modul ist eine Standardplattform; es muss also nur das dedizierte Trägerboard entwickelt werden. Dieses führt die externen Schnittstellen aus und kann in jeder gewünschten Form entwickelt werden.

Dank der Trennung von Rechen- und Anwendungsebene ist der Entwicklungsaufwand weiter vereinfacht. OEMs profitieren von hoher Design-Zuverlässigkeit und schnellerer Markteinführung im Vergleich zu Full-Custom-Designs. Die Support- und Entwicklungsingenieure von congatec beraten Kunden bereits in der Planungsphase, wodurch System- und Integrationskosten von Anfang an optimiert werden können. Für IoT-Anwendungen empfiehlt congatec den ultra-kompakten Qseven-Standard sowie COM-Express.

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Für Märkte, die Embedded-Funktionen benötigen

Der neue industrietaugliche Mini-ITX SBC conga-IGX (Bild 2) wurde speziell für Märkte entwickelt, die Embedded-Funktionen benötigen, dabei aber kostensparenden Zwängen unterliegen und schnelle Markteinführungszeiten einhalten müssen.

Anwendungsbeispiele finden sich bei POS/POI im Retail- und Einzelhandelsbereich, wo der conga-IGX in digitalen Anzeigetafeln, Kiosks und Kassensystemen oder digitalen Waagen zum Einsatz kommt. Er ist auch ideal für einfache Gaming- und Glücksspiel-Applikationen. Diese profitieren insbesondere von den umfangreichen Grafik-Funktionen des Mainboards, die für bis zu zwei unabhängige Displays ausgelegt sind.

Diese Art von Geräten wird dadurch noch attraktiver und sie ermöglichen eine immersive Benutzererfahrung. Das Modul richtet sich auch an kosteneffiziente HMIs (Human Machine Interface) in der Industrie- und Gebäudeautomation. Durch die hohe 3-D-Leistung in einem Low-Power-Design bietet diese Art von System eine intuitive, 3-D-basierte grafische Benutzeroberfläche mit Multi-Touch-Funktionalität.

Auf dem Board befinden sich auch verschiedene Erweiterungsmöglichkeiten via 1 x PCIe x 4 und Mini-PCI-Express. Flexible Systemerweiterungen bei hoher Datenbandbreite lassen sich über Dual GbE LAN, 2 x Serial ATA III, 1x mSATA (SATA III), 7 x USB 2.0 und 2 x USB 3.0 implementieren. Darüber hinaus werden typische Embedded-Schnittstellen wie 8-Bit-GPIO, drei serielle und ein paralleler Port bereitgestellt. Ein DC-Netzteil mit einem Eingang von 12 sowie 19 bis 24 VDC, ACPI 3.0 Power Management und High-Definition Audio runden das Leistungspaket ab.

Slimline Qseven COM für dedizierte Anwendungen

Für extrem schlanke SFF-Designs in anspruchsvollen Umgebungen eignet sich das Qseven-Modul conga-QG (Bild 3). Für stromsparende Anwendungen hat congatec vor kurzem eine Version mit dem AMD GX-210JA SoC vorgestellt, die einen Durchschnittsverbrauch von 3 W aufweist.

Für extreme Einsatzbedingungen, die einen erweiterten Temperaturbereich verlangen, ist das Modul auch mit dem 1,0-GHz-Dual-Core AMD GX-209HA SoC verfügbar. Dank ECC- (Error Correction Code) Speicherunterstützung ist das Modul besonders geeignet für sicherheitskritische Anwendungsgebiete. Diese finden sich sowohl in der Industrie als auch im medizinischen Bereich, wo Speicherfehler automatisch korrigiert werden müssen, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.

Für das Design von Handhelds bietet congatec auch einen geeigneten Tablet-PC-Demonstrator. Das Kit enthält ein kompaktes Trägerboard, ein auf AMD G-Series SoC basierendes Qseven-Modul, ein congatec SMART-Batterieboard sowie einen intelligenten Touchscreen. Da der Demonstrator für die Praxis konzipiert wurde, verfügt er über ein portiertes Betriebssystem und ein spezielles mechanisches Gehäuse.

COM Express für leistungsorientierte Designs

Für PC-ähnliche IoT-Geräte, die zusätzlich zu den jeweiligen speziellen Schnittstellen auch eine optimale Rechen- und Grafikleistung verlangen, ist ein COM-Express-Compact-Modul wie das conga-TCG (Bild 4) eine ideale Lösung. Es bietet VGA, Single/Dual-Channel LVDS mit 18/24-Bit sowie DisplayPort 1.2 und DVI/HDMI 1.4a Schnittstellen. Dadurch können zwei unabhängige Displays direkt angesteuert werden.

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DisplayPort 1.2 unterstützt ausserdem Multistream, wodurch bis zu zwei Displays pro Grafikport im Daisy-Chain-Modus angesteuert werden können. Dies ist eine ideale Lösung für alle grafikintensiven Anwendungen, wie z. B. Digital Signage oder Gaming.

Das conga-TCG unterstreicht seine Vielseitigkeit mit einem breiten Leistungsspektrum: das Angebot von congatec umfasst derzeit insgesamt vier x86-Prozessoren mit der AMD Embedded G-Series SoC-Plattform.

Was ist die beste Lösung für Ihre Anwendung?

Was ist die beste Lösung für Ihre Anwendung? Mini-ITX, COM Express oder Qseven? Die Antwort hängt von der jeweiligen Anwendung ab, und die Entscheidung sollte sich nach den technischen und wirtschaftlichen Anforderung richten.

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Aber wie auch immer die Wahl ausfällt, eines ist sicher: Mit Mini-ITX, COM Express und Qseven können Entwickler das passende Konzept für ihre Anwendung finden.

[1] AMD GX-415GA scored 209, AMD G-T56N scored 98, and Intel Atom D525 scored 93, based on an average of Sandra Engineering 2011 Dhyrstone, Sandra Engineering 2011 Whetstone and EEMBC CoreMark Multi-thread benchmark results. AMD G-T56N system configuration used iBase MI958 motherboard with 4GB DDR3 and integrated graphics. AMD GX-415GA system configuration used AMD „Larne“ Reference Design Board with 4GB DDR3 and integrated graphics. Intel Atom D525 system configuration used MSI MS-A923 motherboard with platform integrated 1GB DDR3 and integrated graphics. All systems running Windows 7 Ultimate for Sandra Engineering and Ubuntu version 11.10 for EEMBC CoreMark. EMB-37

[2]Based on performance evaluation of AMD G-Series SOC model GX-415GA vs. AMD G-Series APU model G-T56N; and vs. Intel Atom model D525 and D2700 while running Sandra Engineering 2011 Dhrystone benchmark. EMB-38

* Zeljko Loncaric ist Marketing Engineer bei der congatec AG in Deggendorf.

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