CPU und Grafikkarte auf einem Chip

Getrieben durch die geänderten Sehgewohnheiten und ständig zunehmenden Qualitätsansprüchen müssen viele Embedded Applikationen heute mehr Grafikleistung liefern als noch vor einigen Jahren. Getrieben ist dies in erster Linie durch ständig zunehmende Bildschirmauflösungen bei immer größeren Bildschirmdiagonalen sowie hochwertigere Visualisierungen mit 3D-Grafik und reaktionsschneller Touchscreenbedienung. Hinzu kommt der Wunsch nach Mehrschirminstallationen, um über den Betrieb möglichst vieler Displays effektiv Systeme und Kosten einzusparen.

Diese Bedarfe beschränken sich dabei nicht auf teure high-end Embedded Systeme, sondern ergeben sich vor allem für Applikationen im Embedded-Mainstream, die ein Leistungsniveau durchschnittlicher Notebook-Technologien erfordern. Zu den Zielmärkten zählen dabei die Segmente Gaming, Digital Signage und Infotainment sowie In-Vehicle Lösungen, Überwachungssysteme und HMIs für vertikale Branchen der Industrie, Energieversorgung und Medizintechnik. Der hohe Wettbewerbsdruck um diese interessanten Applikationen erfordert Systemdesigns mit höchster Kosteneffizienz, häufig auch über die Anbindung mehrerer Bildschirme an ein System. Das stellt besondere Anforderungen an die verwendeten Embedded Computing-Plattformen, die bisher zwar auf effiziente Prozessorleistung, nicht aber auf Grafikperformance optimiert waren. Dieses Leistungsmerkmal bieten Boards und Module auf Basis der AMD Embedded R-Series Accelerated Processing Units (APU). Die APU-Technologie zeichnet sich vor allem durch eine Grafikleistung auf Niveau dedizierter Grafikkarten aus. Dafür kombiniert sie x86er Dual- oder Quadcore Prozessortechnologie mit einer Grafikeinheit der AMD Radeon HD 7000er-Serie auf einem Chip. Die hohe Integration der APUs reduziert den Footprint einer klassischen 3-Chip-Lösung auf nur noch zwei Chips: die APU und den korrespondierenden Controller-Hub. Die Kombination einer multifunktionalen CPU und einer GPU auf einem einzigen Chip mit einer schnellen Bus-Architektur und einem gemeinsamen, schnellen Speichermodell ermöglicht kosteneffiziente Lösungen, weil weniger Board-Layer und eine einfachere Stromversorgung benötigt werden. Das gestattet Anwendern, die Embedded R-Series APUs auf kleineren, kostenoptimierten Formfaktoren einzusetzen und führt somit auch zu kleineren und kostengünstigeren Systemdesigns.

Verzicht auf zusätzliche Grafikkarte

Indem APUs eine leistungsstarke Grafik bereits nativ integrieren, können Entwickler auf eine dedizierte Grafikkarte verzichten. So kann das Systemdesign nochmals kompakter und kostengünstiger ausfallen. Zudem minimieren sie den Kühlbedarf: Zum einen ist die Wärmeabgabe in Relation zur Grafikleistung gering, zum anderen gibt es aber auch nur noch einen Hotspot im System, da eine dedizierte Grafikkarte nicht benötigt wird. Ist die Grafiklösung direkt auf dem Board bzw. Modul eindesignt, profitieren OEMs zudem auch von einer robusteren und langzeitverfügbaren Lösung mit geringeren Stücklisten (BoM) und Supply Chain-Aufwendungen sowie deutlich einfacherem Verfügbarkeits- und Wartungs-Management. Zusätzlich zeigen hausinterne Benchmarks von Kontron beispielsweise mit dem 3DMark06, dass COM Express compact-Module mit AMD R-Series APUs hohe Leistungen bringen: Mit einem Score von 5.970 Punkten liegen sie im Spitzenfeld von Kontrons Gesamtportfolio. An der Spitze zeigen sich aktuelle AMD APUs, wenn moderne Grafikfeatures gefragt sind, wie sie beispielsweise exklusiv für DirectX 11 vorgesehen sind: Im 3DMark11 Benchmark, der besonders auf diese aktuellen Grafik-APIs abzielt, stehen sie mit Ergebnissen bis 1027 Punkten alleine im Spitzenfeld. Vergleichsplattformen sind im größeren COM Express basic-Formfaktor angesiedelt.

Multi-Display Support

Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal der AMD Embedded R-Series Plattformen ist die Möglichkeit, bis zu vier unabhängige Displays gleichzeitig anzusteuern. Das ist ein wichtiger Faktor um immersive und kosteneffiziente Lösungen für Digital Signage, medizinische Monitoring Systeme und industrielle Applikationen umzusetzen. So lassen sich in großen Installationen Systemkosten einsparen. Die DisplayPort-Ausgänge der AMD-Embedded R-Series APU unterstützen hierzu Daisy-Chaining, also eine Reihenschaltung von Displays über einen Ausgang, was künftig eine einfachere und effizientere Verkabelung von mehreren Bildschirmen auch über weite Strecken ermöglicht. Hinzu kommen moderne Interfaces wie USB 3.0, die Kontron erstmals auf seinen Lösungen mit Embedded R-Series einführte. Dem SFF-Ansatz der APU-Technik folgend, ist das Plattformangebot des Unternehmens mit AMD Embedded R-Prozessoren auf kompakte Formfaktoren fokussiert. Neben COM Express compact stehen OEMs auch ein Mini-ITX Motherboard sowie ein Flex-ATX Board mit drei PCI-Legacy-Interfaces zur Verfügung. Das 95x95mm messende Kontron COMe-cTH6 integriert Dual-Core und Quad-Core AMD Embedded R-Series APU. Aufgrund der in die AMD R-Series integrierten Radeon HD 7000 Series+ Grafikengine bietet das Modul die hohe Grafikleistung einschließlich DirectX 11 und OpenGL Unterstützung. Mit seinem COM Express Pin-out Typ 6 bietet es drei Digitale Display Interfaces für HDMI, DVI und DisplayPort, zusätzlich zu den klassischen Embedded Schnittstellen LVDS und VGA und drei zusätzlichen DisplayPort-Ausgängen, die mit dem PEG-Port gemultiplext sind.

Vier unabhängige Monitore versorgen

Für klassische Systemdesigns bieten die voll ausgestattete Embedded Motherboards Kontron KTA70/mITX im Mini-ITX-Format und das Flex-ATX KTA75/Flex OEMs und Entwicklern direkt ab Werk, was Anwender für grafikintensive Applikationen benötigen: Auf dem ATX-IO-Feld führen sie 3x DisplayPort (DP) aus. Ein Vierter kann über eine optionale DP-Erweiterungskarte angebunden werden, so dass ein Board bis zu vier unabhängige Monitore mit Inhalten versorgen kann. Mit vier USB 3.0, zehn USB 2.0 und zwei GbE-LAN Interfaces lassen sich diverse Peripherie- und Netzwerkoptionen anbinden. Zusätzliche Flexibilität bietet das Unternehmen eigene Embedded Feature mit bis zu 160 GPIOs, sodass dedizierte individuelle I/O-Boards eingespart werden können. Das reduziert sowohl zusätzliche Bauteilkosten wie auch Entwicklungszeiten. Zudem bieten sie hohe Langzeitverfügbarkeit und Qualität, beispielsweise durch die Verwendung hochwertiger Feststoffkondensatoren (POSCAP). Kasten1:

Grafikeinheit für parallele Berechnungen

Die integrierten Grafikeinheiten der AMD Accelerated Processing Units zeichnen sich nicht nur durch ihre hohe Grafikleistung aus, sondern auch ihrer Programmierbarkeit. Damit können sie auch für so genannte Rechenknechte genutzt werden, wie sie beispielsweise für die Bildverarbeitung und die digitale Signalverarbeitung (DSP) gefragt sind. Anders als x86er CPUs, die auf eine serielle Datenverarbeitung ausgelegt sind, bestehen GPUs aus vielen Recheneinheiten. Sie können damit parallele Tasks schneller ausführen. Die GPUs der AMD Accelerated Processing Units sind über DirectCompute und Open CL programmierbar und können als so genannte General Purpose GPU (GPGU) eingesetzt werden. Somit können APU-basierte Plattformen auch als extrem energieeffiziente parallele Prozessoren zum Einsatz kommen. Kasten2:

Grafikleistung unabhängig skalierbar

Verlangen OEMs nach noch mehr Grafikleistung als selbst die AMD-Embedded R-Series APU-Technologie bietet, so haben sie die Möglichkeit, die Grafikleistung unabhängig von der Prozessortechnologie zu skalieren. Dies erlaubt die AMD Radeon Dual Graphics-Technology: Sie kombiniert Grafikleistung der integrierten GPU mit der einer zusätzlichen AMD Radeon E6000er Grafikeinheit. Anders als andere Lösungen, die nur die Nutzung einer Grafikkarte erlauben, können OEMs hier die Grafikleistung beider Einheiten gemeinsam nutzen. Damit ist nun auch in der Embedded Technologie die Grafikleistung unabhängig von der Prozessorleistung skalierbar, ohne dass Ressourcen ungenutzt bleiben. So kann ein einziges System zehn Displays unabhängig betreiben: Vier über die APU und sechs über eine dedizierte AMD Radeon E6760HD Grafikeinheit.