Embedded-Standard Qseven & AMD APU

Leistungsfähige tragbare Geräte für Industrieanwendungen

| Redakteur: Holger Heller

Prozessor- und Grafikleistung, Gerätegröße, Akkulaufzeit sowie Kosten sind die Herausforderungen für Entwickler tragbarer Geräte, die immer mehr im industriellen Bereich zu finden sind. Wie kann Qseven helfen?

Die Nachfrage nach tragbaren Geräten erreicht auch im industriellen Bereich immer neue Ausmaße. Da diese Geräte zudem immer mehr Funktionalität aufweisen müssen, sehen sich die Entwickler mit immer größeren Herausforderungen konfrontiert. Heute können Entwickler in all diesen Bereichen vom Einsatz der AMD Embedded G-Serie auf Modulen mit dem Industriestandard Qseven profitieren.

Der AMD-Fusion-Architektur, auf der die conga-QAF Qseven-Module von congatec heute aufbauen, liegt eine neue Art des Denkens über die Prozessorleistung zugrunde. Die Fusion-Architektur vereint CPU (Central Processing Unit) und GPU (Graphics Processing Unit) auf einem Chip, der als APU (Accelerated Processing Unit) bezeichnet wird. Der Grafikprozessor ist eine GPGPU (General Purpose GPU), die sich von einer Standard-GPU durch eine flexible parallele Recheneinheit unterscheidet. Deshalb eignet sich die GPGPU auch für allgemeine rechenintensive sowie für parallele Operationen und kann darüber hinaus auch die Leistung in grafikunabhängigen Bereichen erheblich steigern.

Die Fusion-Architektur nutzt die Tatsache, dass Prozesse meist seriell auf einer Standard-CPU laufen. Unter diesen Umständen kann Parallelisierung tatsächlich nur in Multiprozessorsystemen stattfinden oder virtuell mittels Zeitscheibensteuerung der einzelnen, relativ umfangreichen Prozesse.

Anders sieht es bei einer GPU aus: hier werden Aufgaben auf eine Vielzahl sehr kleiner, hoch spezialisierter Recheneinheiten (Engines) verteilt, die je nach Aufgabe miteinander verknüpft sind und die verschiedenen Aufgaben zu jedem Zeitpunkt parallel verarbeiten. Das Besondere an einer GPGPU ist die Tatsache, dass die einzelnen Prozessoraufgaben nicht fest verdrahtet sind (wie dies z.B. beim Vertex-Shader mit einfacher GPU der Fall ist). Stattdessen sind die verschiedenen Aufgaben beliebig konfigurierbar, ähnlich wie bei einem Netzwerkprozessor für einen bestimmten Bereich.

Grafikkern für neue Art von Datenverarbeitung

Dieser Ansatz wird in Massenapplikationen wie Filteralgorithmen von Bildbearbeitungssoftware oder beim Kodieren und Konvertieren von Videodaten verwendet. In der Vergangenheit hatten Entwickler mit der Tatsache zu kämpfen, dass traditionelle CPU-Architekturen und Programmier-Tools nicht ausreichend qualifiziert waren für vektorielle Datenmodelle mit parallelen Multi-Threads. Diese Hürden können heute mit der AMD Fusion-Technologie überwunden werden. Mit Hilfe einfach zu bedienender APIs, z.B. von Microsoft DirectCompute oder OpenCL, die von AMDs Fusion-Technologie unterstützt werden, können Entwickler von Anwendungssoftware das Potenzial des APU-Grafikkerns auch für eine Reihe von Aufgaben nutzen, die nichts mit dem ursprünglichen Zweck der Grafikdarstellung zu tun haben. Darüber hinaus bietet AMD Software-Entwicklungskits (SDKs), welche die Einführung dieser neuen Art der Datenverarbeitung weiter vereinfachen.

Im Embedded-Markt gewinnen APUs vor allem beim Einsatz in medizinischen Geräten immer mehr an Bedeutung. Das wird verständlich, wenn man die Funktionalität des Grafikkerns betrachtet: Angetrieben von Entwicklungen im Consumer-Bereich hat die Effizienz des Grafikkerns stetig zugenommen. Insbesondere die 3D-Darstellung virtueller Welten hat die Spezialisierung der Grafikkarten auf höchste parallele Rechenleistung vorangetrieben. Aufgrund der Vielzahl von grafischen Daten, wie Berechnung von Texturen, Volumen und 3D-Modellierung zur Kollisionserkennung sowie Vertex Shader für geometrische Kalkulationen sind die Funktionalitäten nicht mehr fest in Hardware gegossen, sondern können frei programmiert werden. Dadurch sind moderne Grafikkerne sehr flexibel einsetzbar und bieten ein enormes Potenzial.

Ein konkretes Beispiel aus der Medizintechnik ist die geforderte Rechenleistung moderner tragbarer 3D-Ultraschall-Geräte. Bestimmte Datenformate, z.B. von Sensoren, Messköpfen, Transceivern oder Videokameras, können mit einem dedizierten Prozessorkern effizienter und schneller verarbeitet werden, als mit der generischen, seriellen Rechenleistung von x86-Prozessoren. Bei einer GPGPU ist es unerheblich, ob die Programmcode-Daten rein virtuell produziert oder aus externen Quellen weitergeleitet werden. Somit ist es ein Vorteil, wenn durch die Verbindung von CPU und GPU zu einer APU (Accelerated Processing Unit) ein noch stärkeres Team geschaffen wird.

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Qseven potenziell schmäler als andere COM-Module

Beim Qseven handelt es sich um einen herstellerübergreifenden, Off-the-Shelf verfügbaren Computermodul-Standard, der alle Kernkomponenten handelsüblicher PCs integriert. Module werden auf ein kundenspezifisches Carrier-Board aufmontiert, was dem Kunden eine perfekte Anpassung an seine I/O-Anforderungen und Abmessungen ermöglicht.

Qseven-Module gehören zu den kleinsten standardisierten Formfaktoren bei einer Größe von 70 mm x 70 mm. Sie nutzen ein High-Speed-MXM-Stecker-System mit standardisierter, herstellerübergreifender Pinbelegung. In Verbindung mit dem MXM-Randstecker ermöglichen die insgesamt geringen Abmessungen des Qseven-Moduls eine potenziell schmälere Lösung als dies mit anderen Computer-On-Module (COM) Produkten traditionell möglich war. Die Qseven-Spezifikation definiert eine niedrige Gesamtbauhöhe von 13,9 mm für Carrier-Board, Qseven-Modul und Heatspreader bei Verwendung des MXM-Steckers mit dem flachsten Profil. Da tragbare Geräte immer kleiner werden, zählt heute jeder Millimeter.

Für portable Geräte sind leistungsstarke Batterien unabdingbar. Um die Lebenszeit der Batterien zu verlängern, müssen Entwickler streng darauf achten, dass der Verbrauch des Gesamtsystems so gering wie möglich bleibt. Die zwei energiesparendsten APUs der AMD G-Serie, die bei congatec conga-QAF Qseven-Modulen zum Einsatz kommen, haben eine Taktfrequenz von 1 GHz. Diese beiden höchsteffizienten APUs haben eine TDP (Thermal Design Power) von 5,5 W (Single-Core-Version) und 6,4 W (Dual-Core-Version).

Mit beiden Modellen lässt sich ein Qseven-Modul realisieren, das unter der für Qseven-Module vorgeschriebenen Obergrenze von 12 W liegt. In Verbindung mit dem kleinen Formfaktor der AMD APU ist die G-Serie die perfekte Passform für Qseven-Module und Entwickler, die eine Low-Power-Lösung mit kleinster Abmessung benötigen.

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