Kompakte Kraftpakete

Vorteile von x86-SoCs für Embedded-Mainboard-Designs

System-on-Chips (SoCs), die CPU, GPU und E/A (Eingabe/Ausgabe)-Controller auf einem kompakten x86-Baustein vereinen, bieten gerade im industriellen und semiindustriellen Embedded-Bereich Designvorteile. Dieser Beitrag zeigt die Möglichkeiten am Beispiel des neuen Industriemainboards D3313-S von Fujitsu auf, das auf der aktuellen AMD Embedded G-Series SOC Plattform basiert.

Embedded-Computer mit möglichst hoher Rechen- und/oder Grafikleistung müssen zusammen mit vielen anderen Komponenten in Gehäusen Platz finden, die wenig Raum für Lüfter usw. bieten. Das haben industrielle Embedded-Anwendungen im Bereich Automation bzw. Human-Machine-Interface (HMI) mit semiindustriellen Applikationen wie Kiosklösungen und Digital Signage gemeinsam: Der Platz ist begrenzt. Daher sind kompakte Formfaktoren für Industriemainboards ein Muss. Das neue D3313-S von Fujitsu ist deshalb als Mini-ITX-Board mit Abmessungen von 170x170mm ausgelegt. Es basiert auf der aktuellen AMD Embedded G-Series SOC Plattform. Der neue Prozessor vereint CPU, Chipsatz und Grafik auf einer Fläche von nur 24,5×24,5mm, was ihn für solche kompakten Mainboard-Designs allein schon aus mechanischen Gründen interessant macht. Mit dieser Miniaturisierung geht AMD, nach APU und Controller Hub, einen konsequenten nächsten Schritt in der Integration aller x86-Funktionalitäten auf einem Chip. Die unmittelbaren Vorläufer, die AMD Embedded G-Series Accelerated Processing Units, kommen bereits seit 2011 auf Industrieboards von Fujitsu zum Einsatz. Dadurch qualifizierten sich auch die neuen SoC des Chipherstellers früh für einen intensiven Test in der Mainboard-Entwicklung im Augsburger Werk des Anbieters.

Vereinfachtes Board-Layout

Vergleicht man die hochintegrierten SOCs in 28nm-Technologie in mechanischer Hinsicht mit deren Vorgängern, den AMD Embedded G-Series APUs, so weisen sie einen um 33% kleineren Footprint auf, was dem Designer buchstäblich mehr Spielraum bei der Konzeption seiner Mainboard-Layouts gibt. Außerdem muss der Entwickler auf dem Board statt zwei Chips nur noch einen integrieren. Das macht nicht nur die Entwicklung einfacher und schneller, sondern reduziert auch die Zahl der Komponenten, die dafür vorgehalten werden müssen. Die Folge sind niedrigere Kosten für Beschaffung und Lagerhaltung, somit ergeben sich also auch wirtschaftliche Vorteile.

E/A-Controller unterstützt Standardschnittstellen

Der in den AMD Embedded G-Series SOCs integrierte E/A-Controller unterstützt alle Standard-Schnittstellen wie beispielsweise PCIe, SATA sowie USB2.0 und 3.0. Die Kugelgitteranordnung der Lötstellen folgt bei allen AMD G-Series SOCs einem einheitlichen Layout. Dadurch kann der Entwickler für alle Boards einer Familie – vom Basismodell bis zur High-End-Variante – ein einheitliches Design verwenden, auch im Hinblick auf die Steckverbindungen. Der Designphilosophie von Fujitsu kommt das entgegen, denn darin ist die Kompatibilität innerhalb einer Boardgeneration, aber idealerweise auch zwischen den Generationen, ein zentrales Ziel. Der Grund dafür leitet sich aus den Bedürfnissen der Anwender im Embedded-Bereich ab: Die Mainboards aus der Industrial Series von Fujitsu mit ihrer Langzeitverfügbarkeit von mindestens fünf Jahren kommen in Investitionsgütern zum Einsatz, deren Design aus Gründen der Wirtschaftlichkeit und der Zertifizierung während der Produktlebenszeit nicht grundlegend geändert werden kann. Ein einheitliches Board-Layout bietet aber die Möglichkeit, innerhalb des Lebenszyklus einer Maschine die Plattform zu wechseln.

Drei Ausführungen des Mainboards

Das neue Fujitsu-Mainboard ist beispielsweise in drei Ausführungen mit jeweils unterschiedlichen SOCs von AMD erhältlich. Alle drei Modelle der Serie D3313-S sind funktionell und mechanisch völlig identisch und unterscheiden sich lediglich durch die darauf eingesetzten APUs. Das D3313-S1 basiert auf AMD GX-210HA SOC mit AMD Radeon HD8210E Graphics (Dualcore, 1.0GHz), das D3313-S2 auf AMD GX-217GA SOC mit AMD Radeon HD 8280E Graphics (Dualcore, 1.65GHz) und das D3313-S3 auf AMD GX-420CA SOC mit AMD Radeon HD 8400E Graphics (Quadcore, 2.00GHz). Alle Varianten verfügen über zwei DDR3-1866/1600-SDRAM SO-DIMM-Sockel für bis zu 16GB Single-Channel-Memory. Das Layout der externen E/A-Anschlüsse ist identisch mit dem der Vorläufergeneration D3003-S. Dadurch können die D3313-S-Mainboards auch in die existierenden Mini-ITX-Gehäuse von Fujitsu eingebaut werden. Dies ermöglicht einen einfachen Umstieg der Plattform-Technologie bei gleichbleibendem Gehäuse und bietet auch weiterhin die optimale Basis für ein kostengünstiges System. Zusätzliche Einsparpotenziale ergeben sich aus der Tatsache, dass sich die Anzahl der Boardlayer reduzieren und die Stromversorgung vereinfachen lässt, weil bei einem SoC viele Signalleitungen wegfallen, etwa zwischen Prozessor und Controller Hub.

Energieeffizienz bietet Designvorteile

Die Leistungsaufnahme der auf den D3313-S-Mainboards von Fujitsu eingesetzten AMD Embedded G-Series SOCs reicht von der 9W- über die 15W-Dualcore-Version bis zum Quadcore-SOC mit 25W TDP. Die Spannungsversorgung erfolgt entweder mit 12 oder 19-24V (Dual Range) über einen AC-Adapter. Ein DC-to-DC Converter Board entfällt somit und spart dabei neben Kosten auch Einbauplatz. Die Onboard-CPU-Core-Voltage-Steuerung kann Schwankungen in der Versorgungsspannung von bis zu +/- zehn Prozent abfangen. Die Stromstärke innerhalb des Mainboards liegt typischerweise bei 1A. Die Multimedia-Engine der SoCs verfügt über einen C6-‚Deep Power Down‘-Modus, der die komplette Leistungsaufnahme des Systems zusätzlich reduziert. Eine weitere Verringerung der Leistungsaufnahme erreicht AMD durch ein verbessertes Clock-Gating, das erstmals auch auf die Multimedia-Engine ausgeweitet worden ist. Der niedrige Energiebedarf der neuen SoCs spart nicht nur Stromkosten, sondern bietet auch weitere Designvorteile. Wenig Leistung bedeutet wenig Wärmeentwicklung, deshalb können mit AMD-Embedded-G-Series-SOC-Mainboards auch lüfterlose Systeme realisiert werden. Das Embedded-System wird dadurch nicht nur leiser, sondern auch zuverlässiger, weil die fehleranfällige Mechanik eines Lüfters gar nicht erst eingebaut werden muss. Die Dimensionierung der D3313-S- Mainboards für 0-60°C im Dauerbetrieb unter Volllast garantiert zudem ein Höchstmaß an Zuverlässigkeit.

Rechen- und Grafikleistung

Kompakter Formfaktor und geringer Energieverbrauch vermögen aber nur dann zu beeindrucken, wenn sie nicht zu Lasten der Performance gehen. Bei den AMD Embedded G-Series SOCs ist das kein Problem. Basierend auf dem neu entwickelten ‚Jaguar‘-CPU-Core in 28nm-Fertigungstechnologie und der AMD Radeon GPU der 8000er-Serie, können die Ein-Chip-Systeme bei höheren Taktraten mehr Befehle pro Taktzyklus (Instructions per Cycle) verarbeiten als frühere Generationen. Dies zeigt sich auch bei der Ausführung verschiedener rechenintensiver Standard-Benchmarks. In entsprechenden Tests von AMD zeigten die Embedded G-Series SOCs im Vergleich zu den AMD Embedded G-Series APUs eine um bis zu 113% höhere CPU-Performance [1]. Doch nicht nur das: Im Vergleichstest mit Marktbegleitern schließt die AMD G-Series SOC die Lücke zwischen Intel Atom und der hochpreisigen Technologieplattform Intel Core i. So bietet die AMD G-Series SOC auf einem Preisniveau, das dem von Intel Atom vergleichbar ist, eine Grafikperformance, die sich nicht nur mit diversen Core-i-CPUs messen kann, sondern diese teilweise sogar übertrifft. Die TDP-Werte sind dabei aber erheblich niedriger als bei Core-i3- oder Core-i5-CPUs.

Baureihe eröffnet neue Möglichkeiten

Dass Fujitsu sich entschieden hat, die AMD Embedded G-Series SOCs für seine neuen Industriemainboards einzusetzen, hat aber noch weitere Gründe. Der verbesserte Universal Video Decoder beispielsweise bietet neue Möglichkeiten für die hardwarebasierte Video-Enkodierung, was für Anwendungen im Bereich Digital Signage ebenso gute Voraussetzungen schafft wie für Videoüberwachung, bildgebende Verfahren in der Medizintechnik oder digitale Mischpulte, um nur einige Beispiele zu nennen. Des Weiteren unterstützen die AMD Embedded G-Series SOCs eine drahtlose Displayanbindung über WiFi oder Ethernet bei minimaler Latenz. Dies bietet gute Startbedingungen für Designs im Zeichen von ‚Industrie 4.0‘, also der zunehmenden Integration von mobilen Endgeräten in die Industrieautomation, mit der in den kommenden Jahren verstärkt zu rechnen ist. Für grafikintensive industrielle Applikationen wie HMIs, aber auch andere Embedded-Lösungen in den Bereichen Digital Signage, Kiosk oder Medizintechnik qualifiziert sich die Plattform noch mit weiteren Features: Sämtliche neuen AMD-Embedded-G-Series-SOC-basierten Mainboards von Fujitsu unterstützen zwei unabhängige, hochauflösende Displays auf der Basis von DVI-I, Display Port oder 24Bit-Dual-Channel-LVDS. Die integrierten AMD-Radeon-8000-GPUs ermöglichen DirectX11.1, OpenGL 4.2 und OpenCL 1.2 (jeweils unter Windows 7, Win-dows Embedded Standard 7, Windows 8, Windows Embedded Standard 8 und Linux mit AMD-Catalyst-Treiber). Daraus ergibt sich die Möglichkeit des Parallel-Processing und somit eine deutlich verbesserte Grafikverarbeitung. Im Vergleich zu AMD G-Series APUs können bis zu 20% mehr Leistung erzielt werden. Vom Parallel-Processing auf der CPU/GPU mit OpenCL profitieren vor allem Applikationen, in denen es auf höchste Präzision ankommt – was im Embedded-Bereich der Regelfall ist. Einschlägig sind hier zum Beispiel industrielle Steuerungen und Automatisierungsapplikationen sowie Anwendungen in den Bereichen Sicherheit und Überwachung, Medizintechnik sowie Kommunikation. Die integrierte GPU stellt solchen Applikationen über OpenCL-APIs eine Rechenleistung von bis zu 256GFLOPs zur Verfügung. [2]

Sicherheit durch Erfahrung

Mit den Embedded G-Series SOCs stellt AMD nicht nur eine skalierbare Single-Chip-Lösung für innovative Designs auf Basis der x86-Technologie zur Verfügung. Aus Entwicklersicht ist vor allem das Ökosystem an standardisierter Software, Betriebssystemen und Entwicklungsumgebungen interessant, das rund um diese Plattform existiert. Dieses Umfeld bietet diverse Möglichkeiten für die Umsetzung von Mainboards mit Langzeitverfügbarkeit und hoher Investitionssicherheit zu überschaubaren Gesamtkosten. Dank der bewährt engen Verzahnung von Entwicklung und Produktion der Mainboards befinden sich die Industriemainboards der Familie Fujitsu D3313-S seit Mitte Dezember 2013 in der Serienfertigung. n Verweise

[1] Der AMD GX-415GA erreichte 209 Punkte, der AMD G-T56N erreichte 98 Punkte und der Intel Atom D525 erreichte 93 Punkte. Die Ergebnisse basieren auf den Durchschnittswerten der Ergebnisse der Sandra Engineering 2011 Dhyrstone, Sandra Engineering 2011 Whetstone und EEMBC CoreMark Multi-Thread Benchmarks. AMD G-T56N Systemkonfiguration: iBase MI958 Motherboard mit 4GB DDR3 und integrierter Grafik. AMD GX-415GA Systemkonfiguration: AMD ‚Larne‘ Reference Design Board mit 4GB DDR3 und integrierter Grafik. Intel Atom D525 Systemkonfiguration: MSI MS-A923 Motherboard mit plattformintegriertem 1GB DDR3 und integrierter Grafik. Für Sandra Engineering wurden alle Systeme unter Windows 7 Ultimate betrieben, und für den EEMBC CoreMark mit Ubuntu Version 11.10. EMB-37.

[2] Die Berechnung basiert auf der Performance der GX-420GA GPU bei 600MHz=0,6GHz; 0,6x256GFLOPs=153,6GFLOPS. EMB-43.