Vision-Systeme und AI auf dem Vormarsch

Im Industrial Internet of Things (IIoT) und in der Industrie 4.0 müssen Prozessor­-Boards oder ­Module exponentiell wachsende Datenmengen handhaben und verarbeiten kön­nen. Der Bedarf an Rechenleistung sowie Kommunikations­ und Speicherbandbreite steigt rapide an.

Dazu trägt auch die wachsende Bedeutung anspruchs­ voller Bildverarbeitungsaufgaben bei. Diese finden sich quer durch alle Branchen, von Security über medizinische Dia­gnostik bis zu Machine und Robot Vision im Maschinen­und Anlagenbau. Sie werden immer häufiger in Grafik­ Prozessoren (GPU) ausgelagert, um die CPU zu entlasten. Gleiches gilt für die nicht selten auch im Zusammenhang mit Bildauswertungen einhergehenden Anwendungen mit künstlicher Intelligenz (engl.: Artificial Intelligence, AI). Auch für deren Beschleunigung gibt es mittlerweile eigene Lösungen, etwa in Form der Google-­Coral­-Edge­-TPU.

Mehr Performance für Cloud und Edge

Auswirkungen auf die Anforderungen an die Rechner­-Hard­ ware hat auch das Umdenken in Bezug auf die serviceorien­tierte Datenverarbeitung in der Cloud. Um von der Über­tragungsbandbreite unabhängig zu bleiben, erfolgen besonders zeitkritische Berechnungen auf der Geräteebene, an der sogenannten Edge.

In der Cloud selbst findet in Analogie zu früheren Ent­wicklungen beim Office­-Computing eine Abkehr von der strikt zentralisierten Verarbeitung statt. Hier stehen den Edge­-Devices statt einer zentralen Intelligenz dezentrale, oft aufgabenspezifisch arbeitende Edge­Server gegenüber. Die Anforderungen an deren Leistungsfähigkeit steigen trotz der Arbeitsteiligkeit zwischen Cloud und Edge ebenfalls konti­nuierlich weiter an.

Konnektivität für Real-Time-Anwendungen

Auch im Bereich der Konnektivität nehmen die Anforderungen an Prozessor­ Boards und ­Module zu. Der Mobilfunkstandard 5G ermöglicht bisher unge­kannte Datendurchsätze. Sensoren liefern immer reichhaltigere Datenpakete zu­ nehmend häufiger zum Beispiel über IO-­Link oder Industrial Ethernet.

Die Erweiterung von Ethernet um die Echtzeitfähigkeit mittels Intel­-Time­-Coordinated­-Computing (Intel­-TCC) bzw. Time Sensitive Networking (TSN) ermöglicht das Verschmelzen der bisher getrennten Netzwerke für IT und OT. Diese Echtzeitfähigkeit steht zunehmend häufiger auch bei x86­-Prozessoren zur Verfügung, da diese oft mit integrierten ARM-­Co­-Prozessoren ausgestattet sind.

Kontron bietet in allen Leistungsklassen robuste Boards und Module in eta­blierten, standardisierten Formaten an. Durch die enge Zusammenarbeit mit allen namhaften Halbleiterherstellern kann so die langfristige Verfügbarkeit funktions­ äquivalenter Produkte mit zeitentsprechend mitwachsenden Performance­-Daten gewährleistet werden.

Breite Skalierbarkeit mit COM-Express

Die breite Skalierbarkeit der speziell für IIoT-­Anwendungen entwickelten Intel­ Prozessoren der Serie Atom x6000 (vormals Elkhart Lake) und der Intel­-Pentium­ und ­Celeron­-Serien-N und J-in-10­nm­-Strukturbreite bietet Kontron auch in den Formaten COM-­Express-­Compact­-Typ-­6 und COM-­Express-­Mini-­Typ-­10 an. Mit bis zu vier CPU­ und 32 GPU-­Kernen gewähren diese eine optimale System­leistung pro Watt. Damit bilden sie eine kosten­ und energie effiziente Plattform mit TSN­ und TCC-­Funktionalität für IIoT-­Anwendungen in industriellen Echt­zeit­-Umgebungen.

Mit Intel­-Core-­Prozessoren der 11. Generation mit 10­nm­-Strukturbreite, PCIe 3.0 und einem TSN­-fähigen Ethernet­-Controller dringt das COM­-Express­ Modul im Formfaktor Compact in eine neue Performance­-Klasse vor, ohne die Leistungsaufnahme über Gebühr zu steigern (Bild 1). Diese CPU verfügen über einen Befehlssatz für die vektorisierten neuronalen Netze der AI. Auch im Form­faktor Basic sorgen Intel­Core­- und Celeron-­Prozessoren der 11. Generation (vor­mals Tiger Lake H) mit bis zu acht Rechenkernen für die Eignung in High-­End­ Anwendungen mit hoher Bandbreite. Dabei erhalten sie Unterstützung durch Intel-­Iris-­Xe-­Graphics und Intel­-Deep­-Learning-­Boost für erhöhte AI-­Perfor­mance und integrierte TSN­- und TCC­-Funktionalität.

In derselben Prozessor-­Leistungsklasse bringt das Modul COM-­Express-­Basic-Typ-­6 mit AMD­-Ryzen-­V/R1000­-Prozessor bei relativ geringer Stromaufnahme eine hohe Grafikleistung. Unterstützung von bis zu 16 Threads auf bis zu acht Prozessorkernen bietet es mit dem AMD­-Ryzen-­V2000. Damit ist dieses Modul nicht nur für übergeordnete Steue­rungsaufgaben in Fabriken prädestiniert, sondern dank seiner Grafik-­ und Bildverarbeitungsmöglichkeiten auch für bildgebende Verfahren in der medizinischen Diagnostik.

Skalierbare, vordefinierte Computer­-on­-Module in Kom­bination mit neuesten Edge-­Technologien sind wesentliche Bausteine für die nächsten Schritte im IIoT. Kontron stellt Entwicklern eine breite Auswahl an entsprechenden Boards zur Verfügung, die unterschiedlichen Ansprüchen im Hin­blick auf Performance, Energieverbrauch und Konnektivität Rechnung tragen und auf lange Sicht Zukunftssicherheit bieten.