Intel inside: Die Vorteile der Embedded-CPUs (Gen. 8) für den Industrie-Einsatz

Autor: Margit Kuther

Desktop- und Notebook-CPUs der 8. Generation von Intel (Coffee Lake) gibt es bereits seit Herbst 2017. Im April 2018 präsentierte Intel spezielle Embedded-CPUs. Lesen Sie, was diese Prozessoren auszeichnet und für welche Einsatzgebiete sie sich besonders eignen.

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Intels Core-CPUs der 8. Generation: Intel bietet spezielle Embedded-Varianten dieser CPU-Familie
Intels Core-CPUs der 8. Generation: Intel bietet spezielle Embedded-Varianten dieser CPU-Familie
(Bild: congatec / Intel)

Intels neue Prozessoren der 8. Generation (Codename: Coffee Lake) sind eine Kampfansage an AMDs Ryzen-CPUs. Was sind ihre Vorzüge, ihre Einsatzgebiete – und wie steht es um Hackerschutz? Die ELEKTRONIKPRAXIS befragte etliche Anbieter von Embedded-Produkten. Auskunft geben congatec, Kontron und MSC Technologies.

Warum eignen sich Intels Desktop-/Notebook-Modelle weniger für den Einsatz in Embedded-Systemen?

Die Anforderungen an Embedded-Systeme, die z.B. in der industriellen Produktion, der Medizintechnik oder in Fahrzeugen eingesetzt werden, sind in der Regel sehr hoch. „Hier spielen u. a. Ausfallsicherheit, erweiterter Temperaturbereich oder lange Komponentenverfügbarkeit eine wichtige Rolle. Prozessorvarianten, die aus der kommerziellen Roadmap abgeleitet werden, müssen daher entsprechend diesen Marktanforderungen qualifiziert und positioniert werden“, betont MSC Technologies.

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Kontron ergänzt: „Für seine Embedded-Prozessoren garantiert Intel eine Langzeitverfügbarkeit bis maximal 15 Jahre. Kunden haben so die Sicherheit, dass zum Beispiel Systeme, die mit genau diesem Prozessor zertifiziert wurden, auch langfristig immer wieder mit demselben Prozessortyp ausgestattet werden können. Teure und aufwändige Re- oder Neuzertifizierungen entfallen damit. Auch Designs von langlebigen Produkten müssen nicht kontinuierlich verändert werden, wenn der Prozessor auf lange Jahre verfügbar bleibt.“

Aus diesen Gründen setzt MSC Technologies für ihre im eigenen Hause entwickelten und gefertigten Computer-on-Modules auf hochwertige Embedded-Komponenten. Ein Beispiel ist die gerade erst vorgestellte Modulfamilie MSC C6B-CFLH mit Intel-Prozessoren der 8. Generation, „ausgelegt für Langlebigkeit und lange Verfügbarkeit von 15 Jahren “.

Auch congatec nutzt ausschließlich Prozessoren aus der Embedded-Roadmap, „denn nur sie erlauben es, Kunden eine Langzeitverfügbarkeit von 10+ Jahren zu gewähren, etwa für das conga-TS370.“ Weitere Details zu den Produkten von MSC Technologies, congatec und Kontron mit Intels Embedded-Prozessoren der 8. Generation lesen Sie im Beitrag: Intel kontert AMD: Erste Embedded-Produkte mit Coffee-Lake-CPUs.

Dauerbetrieb auch im rauen Umfeld

Neben der Langzeitverfügbarkeit ist im Industriesektor auch der permanente Einsatz im rauen Umfeld ein wichtiger Aspekt, der für Intels Embedded-Roadmap spricht. Denn, so Kontron, „Embedded-Prozessoren für industrielle Einsatzbereiche sind auf Dauerbetrieb ausgelegt. Die Standard-Prozessoren für Notebooks und Desktops werden von Intel nur für Client-PC-Einsatzzwecke angeboten.“

Ein weiteres wichtiges Kriterium sind die gelöteten Prozessoren mit BGA (Ball Grid Array), die etwa congatec bevorzugt einsetzt. Denn, so congatec, „sie vereinfachen es, eine hohe mechanische und thermische Robustheit und damit Langzeitqualität für das raue industrielle Umfeld zu erreichen“. MSC betont zudem „die Verwendung von Speicherschutztechniken (ECC) für ein zusätzliches Maß an Robustheit“.

Was sind die Vorteile der Embedded-CPUs der 8. Generation im Vergleich zu den Vorgängern (Gen. 7 und Gen. 6)?

„Während Mobile-Prozessoren der 6. und 7. Generation über maximal vier Prozessorkerne verfügen, ist die 8. Generation mit bis zu sechs physikalischen Kernen bzw. zwölf logischen Kernen ausgerüstet,“ betonen MSC und Kontron. „Mehr Leistung für weniger Watt“, fasst congatec die Vorzüge der neuen Embedded-CPUs gegenüber den Vorgängern zusammen.

Im Detail heißt das, so congatec, „dass Intel gleich zwei wichtigen Stellschrauben für die Rechenleistung ein gutes Stück weiter gedreht hat: Zwei Cores mehr für insgesamt sechs Rechenkerne und zusätzlich eine höhere Taktrate der Prozessorkerne, was wichtig für eine hohe Rechenleistung pro Core ist. Anwender, die beispielsweise mit Virtualisierung arbeiten, können dadurch wirklich von 50% Mehrleistung profitieren.“

Ein weiterer Vorteil liegt zudem in den Schnittstellen, denn so MSC, Intels 8. Generation unterstützt die „ Schnittstellen USB 3.1 Gen 1 (5 Gbps) und USB 3.1 Gen 2 (10 Gbps). Die COM-Formfaktoren wie COM Express erlauben es Kunden, ihre bestehenden Anwendungen sehr rasch durch einen einfachen Austausch des Moduls aufzurüsten.“ Kontron ergänzt: „Durch die Unterstützung von NVMe Flash wird weiterhin ein schnellerer Cache erzielt. Mit SGX 1.0 (Software Guard Extensions) können Anwendungsdaten Hardware-seitig besser geschützt werden.“

Für welche Einsatzgebiete eignen sich Intels Embedded-CPUs Gen. 8 besonders?

Die neuen Embedded-Prozessoren der 8. Generation von Intel bieten erstmals sechs Kerne. Das favorisiert sie laut congatec für das immens boomende Segment der kollaborativen Robotik, das laut Markets und Markets von 2017 bis 2023 mit einer jährlichen Rate von überragenden 56,94% auf ein globales Gesamtvolumen von 4,28 Milliarden US-Dollar wachsen soll.

Denn, so congatec, „kollaborative Roboter benötigen zusätzlich zu der eigentlichen Steuerung auch noch weitere Subsysteme für die Situational Awareness und adaptive Steuerung. Dies lässt sich mit mehr Cores besser bewältigen.“ „Mit bis zu sechs Cores sind die neuen Module von congatec prädestiniert für virtualisierte Echtzeitsysteme wie Steuerungsrechner für die Robotik, für Fertigungszellen als auch für komplexe Verpackungs- und Werkzeugmaschinen.“

MSC Technologies ergänzt: „Embedded-Module mit Intel-Prozessoren der 8. Generation sind für anspruchsvolle Anwendungen in der Medizin, Gaming, Übertragungstechnik und Medien-Produktion geeignet. Sie finden auch Einsatz in der Video- und Verkehrsüberwachung, der Verkehrssteuerung und in Mautsystemen“.

Auch beim Datentransfer punktet die 8. Generation der Intel-CPUs. Denn, so Kontron: „Mit USB-3.1-Schnittstelle und NVMe-Unterstützung ist sie für schnellen und großvolumigen Datentransfer geeignet.“

Neben der Performancesteigerung der Intel-CPUs empfehlen sich die Embedded-Prozessoren der 8. Generation durch ihre umfassenden Grafikfähigkeiten. Es lassen sich bis zu vier, davon bis zu 3 unabhängige 4K-Displays ansteuern. Einsatzgbebiete sind etwa Vision-Control-Applikationen, Steuerungsrechner komplexer CNC-Maschinen sowie Leitwartenrechner und Monitoringsysteme in vernetzten Fabriken.

Ein Wechsel älterer Module ist meist nicht erforderlich

congatec betont, dass für viele Embedded-Anwendungen die bisher gebotene Leistung der Intel-CPUs der 7. Generation ausreichen. „Anwender haben oft keinen wirklichen Leidensdruck, auf die neue Generation umzusteigen. Und da wir eine hohe Langzeitverfügbarkeit von 10+ Jahren für alle unsere Module bieten, ist auch das Alter der bisherigen Module keine wirkliche Motivation für einen Wechsel.“

MSC ergänzt: „Die maximale Verlustleistung der Module liegt abhängig vom Betriebsmodus zwischen 35 W und 55 W. Es gibt Embedded-Module mit Prozessoren der 6./7. Gen mit deutlich geringerer Verlustleistung, die besonders für Applikation geeignet sind, bei denen wenig Platz, z.B. für Kühlung, zur Verfügung steht. Heute ist eine große Auswahl an Prozessorderivaten der Gen 6 und 7 mit unterschiedlichen Leistungsdaten erhältlich.“

Ist Abwärtskompatibilität möglich?

Intel hat die Mikroarchitektur der Prozessoren der 8. Generation gegenüber der 7. Generation nicht geändert. Coffee Lake ist nach Kaby Lake (14nm+; max. 4 Kerne) die zweite Optimierung der Skylake-Architektur und im sogenannten 14nm++-Prozess gefertigt, sprich: die die 14-nm-Fertigungstechnologie ist bei den Prozessoren der 8. Generation nochmals optimiert. Dies führt zu geringeren Leckströmen, was wiederum höhere Taktraten erlaubt. Der Prozessorkern ist also gegenüber den Vorgängern nahezu identisch.

congatec betont, dass durch den nahezu identischen Prozessorkern gegenüber den Vorgängern „auf der Softwareseite keinerlei Anpassungen nötig ist, was eine wirklich nahtlose Migration auf diese neueste Prozessorgeneration ermöglicht.“ MSC ergänzt: „Die Board-Produkte, die auf einer x86-Architektur basieren, gewährleisten eine Software-Kompatibilität. Die COM Express-Module entsprechen einem offenen Industriestandard und sind in ihrer Rechenleistung nach oben und nach unten skalierbar.“

congatec führt fort: „Setzen Entwickler auf unsere standardisierten COM Express Computer-on-Modules, erleichtern wir die Nutzung dieser Leistungssteigerungen mit rückwärtskompatiblen Kühllösungen und eAPIs und machen Upgrades auf diese neueste Prozessorgenerationen mehr oder weniger zu einer reinen Plug-&-Play Aufgabe“.

5. In jüngster Zeit attackierte die Schadsoftware Meltdown und Spectre zahlreiche Intel-Prozessoren. Ist diese Sicherheitslücke bei Intels Prozessoren der 8. Generation geschlossen?

„Das besondere an Spectre und Meltdown liegt darin“, so MSC, „dass sich die Software über in modernen Prozessoren weit verbreitete Architekturen Zutritt zu sensiblen Daten verschafft. Daher betrifft die Sicherheitslücke etliche Prozessorhersteller.“ MSC weiter: „Abhilfe bei Intel-Prozessoren bringt das konsequente Einspielen von Sicherheits-Updates in den zur Anwendung kommenden Betriebssystemen und die Verwendung der Sicherheits-Patches auf Firmware-Ebene. Hier kommen Hersteller wie die MSC ins Spiel, die dafür Sorge tragen, dass die Patches in die BIOS-Firmware der Embedded Board-Produkte eingepflegt werden. Nur so kann ein umfassender Schutz gewährleistet werden.“

congatec betont, „Da wir sowohl mit Intel als auch mit den BIOS-Lieferanten eng zusammenarbeiten und zudem über ein eigenes hochqualifiziertes Expertenteam für die BIOS-Programmierung verfügen, bieten wir den derzeit besten darstellbaren Schutz.“

congatec will Meltdown und Spectre „nicht verharmlosen“, sagt aber auch, dass„ Spectre und Meltdown zwar reale Bedrohungsszenarien darstellen, uns aber derzeit noch kein Fall bekannt ist, in dem diese auch durch entsprechende Schadsoftware ausgenutzt wurden.“

6. AMDs Prozessoren waren lange keine Konkurrenz für Intel. Dies soll sich mit AMDs Ryzen-Prozessoren geändert haben. Teilen auch Sie diese Meinung?

AMD-Prozessoren bieten schon lange eine hohe Grafikleistung, etwa in der Embedded-G-Serie von 2011. Und mit der Zen-Mikroarchitektur, gestartet 2016, hat AMD auch eine überzeugende Rechenleistung zu bieten. So kann der neue Zen-Core gegenüber seinem Vorgänger, dem Excavator Core, beispielsweise rund 52% mehr Instruktionen pro Zyklus verarbeiten. Verantwortlich für diese signifikante Leistungssteigerung sind etliche Verbesserungen in der Zen-Mikroarchitektur wie simultanes Multithreading (SMT), Precision Boost und Extended Frequency Range und Neural Net Prediction.

„Die Ryzen-Prozessoren von AMD verfügen über eine gute Grafik-Performance und eine Prozessorleistung, die der von Intel Mobile CPUs mittlerer Performance entspricht. Derzeit fehlt eine Skalierbarkeit über einen breiten Anwendungsbereich (low Power bis high Performance). Produkte im Low Price-Sektor sind nicht verfügbar. Unsere Erfahrung ist, dass Anwender die Ryzen-Prozessoren heute noch zu wenig kennen“, so der Kommentar von MSC.

Kontron ergänzt: „ Wir erwartem mit AMDs Ryzen Embedded eine höhere Leistung zu geringeren Kosten, verglichen mit den Intel-Prozessoren. Zumindest in einigen Benchmarks schneidet AMDs Ryzen-Plattform wesentlich besser ab als die 8. Generation Intel Prozessoren und ist zugleich günstiger. Beim CPU Benchmarking mit 6-Core-Prozessoren bleibt Intel vorne, da AMD hier im Embedded-Bereich nichts Vergleichbares entgegenzusetzen hat.“

Über den erstarkten Wettbewerber von Intel freut sich etwa congatec, da „Wettbewerb das Geschäft belebt, und davon profitieren alle.“

congatec bietet Lösungen mit AMD- als auch mit Intel-Prozessoren an. Denn, „in der Tat liegen die AMD-Prozessoren Ryzen Embedded V1000 laut vieler Benchmarks in der Multithreading-Leistung mindestens auf Augenhöhe mit vergleichbaren Intel-Prozessoren. Wer zudem höchste Grafikleistung benötigt, der war bei AMD schon immer bestens aufgehoben. Wer allerdings mehr Single-Thread-Leistung braucht, der greift besser zu Produkten, die auf einem Intel-Prozessor basieren.“ congatec vertreibt etwa die 8. Generation der Intel-Xeon- und Core-Prozessoren auf dem conga-TS370 sowie die AMD Ryzen Embedded V1000 Series auf dem conga-TR4. Damit können Entwickler all diese Plattformen möglichst schnell und möglichst einfach für ihre Lösungen einsetzen und, wenn erforderlich, auch von A nach B migrieren.

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Über den Autor

 Margit Kuther

Margit Kuther

Redakteur, ELEKTRONIKPRAXIS - Wissen. Impulse. Kontakte.