Новые модули congatec на основе процессоров Intel Elkhart Lake

Сегодня приложения индустриального «Интернета вещей» (Industrial IoT, IIoT) должны отличаться высоко­производительной процессорной технологией при низком собственном энергопотреблении, а также надежной работой, возможностью сетевого подключения и технологиями гипервизора, причем все это — в реальном времени. Разработанные в ответ на эти требования компьютерные платы и модули компании congatec с процессорами последнего поколения Intel Atom, Celeron и Pentium как раз и обеспечивают большую мощность для приложений с низким энергопотреблением в самых разнообразных сферах применения.

Целевые рынки для таких плат и модулей предусматривают автоматизацию и управление — от распределенного управления процессами в интеллектуальных энергетических сетях и обрабатывающей промышленности вплоть до интеллектуальной робототехники или даже управления программируемыми логическими контроллерами (ПЛК) и станкам с числовым программным управлением (ЧПУ) для мелкосерийного производства. Другие рынки, требующие работы в режиме реального времени, — это испытательное и измерительное оборудование и транспортные приложения, такие как железнодорожные, в том числе и подвижной состав, или автономные транспортные средства, а также все приложения, где необходимы расширенные диапазоны рабочих температур.

Новое поколение процессоров с низким собственным энергопотреблением оптимально и для требовательных к графике приложений — это, например, периферийные POS-терминалы, информационные киоски и системы цифровых вывесок, распределенные игровые и лотерейные терминалы, для которых новые платы и модули компании congatec предлагают улучшенную удаленную связь для межмашинного взаимодействия (М2М). Таким образом, новые процессоры Intel Atom, Celeron и Pentium (также известные как Elkhart Lake) с малым собственным энергопотреблением быстро завоюют рынок встраиваемых и периферийных вычислений и станут новым флагманом для безвентиляторных маломощных встроенных вычислений с потребляемой мощностью в пределах 4,5–12 Вт. И для этого есть много веских причин.

Значительное увеличение производительности новых процессоров

Новые процессоры Intel Atom, Celeron и Pentium с низким энергопотреблением обеспечивают по сравнению со своими предшественниками, основанными на микроархитектуре Apollo Lake, значительное повышение производительности — до 50% при многопоточности и до 70% при однопоточном процессе (рис. 1). Для многих промышленных приложений не менее важно, чтобы компьютерные системы поддерживали и расширенный диапазон температур –40… +85 °C. Благодаря наличию до четырех ядер и максимальной тактовой частоте до 3 ГГц в турборежиме, новые процессоры значительно улучшают производительность обработки для всего рынка встраиваемых компьютерных систем, включая как однопоточные, так и многопоточные приложения.

Рис. 1. Платы и модули компании congatec с процессорами Intel Elkhart Lake имеют преимущества по всем пунктам тестирования, предлагая по сравнению с процессорами Apollo Lake значительное улучшение общей производительности и более высокую производительностью на 1 Вт потребляемой мощности

Однако тот факт, что новая процессорная технология Intel Atom теперь доступна по 10-нм техпроцессу, для встраиваемых приложений имеет еще большее значение. Это связано с тем, что пользователи встраиваемых компьютерных систем предыдущих архитектур Intel с кодовыми названиями Apollo Lake (14 нм), Braswell (14 нм) или Bay Trail (22 нм), также отличавшихся малым собственным энерго­потреблением, при переходе на новые варианты Elkhart Lake могут впервые воспользоваться преимуществами технологии Intel SuperFin. Наряду с более высокой плотностью упаковки это обеспечивает либо пониженное энергопотребление при той же производительности, либо более высокую производительность при равном значении расчетной тепловой мощности TDP.

Сравнение новых конструкций, которые доступны в вариантах мощности 4,5–12 Вт, показывает, что пользователи каждого класса TDP могут теперь извлечь выгоду еще и из значительного увеличения производительности. А поскольку режимы энергосбережения процессоров сертифицированы Energy Star 3.0, это означает, что подключенные приложения потребляют очень мало энергии и в режиме ожидания, причем без необходимости использования специального сетевого прокси-чипа.

Повышенная пропускная способность данных поддерживается за счет большего объема оперативной памяти, которая может быть расширена до 16 Гбайт памяти LPDDR4 со скоростью до 4267 МТ/с (млн транзакций в секунду). Критически важные приложения реального времени также выигрывают от более экономичных реализаций кода с исправлением ошибок ECC, поскольку Intel Inband Error Correction Code (IBECC) позволяет использовать более доступную обычную память вместо выделенной ECC RAM. Клиенты могут настроить режим ECC и режим без ECC в BIOS. Применение IBECC только к определенным областям памяти является особым преимуществом, поскольку означает, что разработчикам не нужно выбирать между всем или ничем. Например, область памяти, зарезервированная для критически важной виртуальной машины, может быть защищена от ошибок данных с помощью IBECC, тогда как оставшаяся основная память работает без этой функции в пользу более высоких скоростей передачи. Но даже при активированном IBECC достижимые скорости передачи данных часто более чем в два раза выше, чем при использовании памяти DDR3L ECC на процессорах Intel Atom E3900 (таблица).

В этом контексте весьма привлекательно выглядит встроенная флэш-память UFS 2.1 (Universal Flash Storage). По сравнению со встраиваемой системой энерго­независимой памяти MMC эта новая технология хранения данных имеет гораздо более высокую пропускную способность, более быструю передачу данных и большую емкость хранения. Все это предлагается в одном и том же месте. UFS даже можно использовать в качестве основного загрузочного диска.

В два раза более быстрая графика для динамического высококачественного видео

Новые платы и модули компании congatec предлагают и высококачественную графику с удвоенной скоростью (до 3x 4k при 60 кадров/ с) и 10-битной глубиной цвета. Столь значительное повышение графической производительности стало возможным благодаря интеграции графического блока Intel Gen11, который уже был встроен в значительно более мощные процессоры Intel Core 10-го поколения (Ice Lake). Опять же, графический процессор находится на кристалле ЦП и выигрывает от оптимизации производительности и энергопотребления 10-нм технологии. Но, прежде всего повышение производительности связано с интегрированными графическими исполнительными блоками (Execution Unit, EU), которых насчитывается до 32 единиц. Таким образом, графическая производительность удваивается просто из-за более высокой эффективности и увеличения количества EU, поскольку у процессоров Apollo Lake девятого поколения, тоже отличающихся низким энергопотреблением, для графики было максимум 18 EU. Графика Gen11 удовлетворяет более высокие требования к пропускной способности за счет лучшего сжатия видео, большего размера кэш-памяти третьего уровня L3 и более высокой максимальной скорости передачи данных.

Кроме того, здесь поддерживаются все основные API-интерфейсы ускорения, в том числе DirectX 12, OpenGL 4.5, Vulkan 1.1, OpenCL 1.1 и Metal, что делает процессоры нового поколения оптимальными для 3D-графики и для самого широкого спектра приложений, управляемых GPGPU. Приложения с большим количеством видео — цифровые вывески, игры, клиенты потоковой передачи и головные системы виртуальной реальности — получают преимущества от аппаратного ускорения кодирования и декодирования новейших кодеков, таких как сверхэффективные по обработке данных и требующие интенсивных вычислений HEVC (H. 265) и VP9, ​​а также их популярные предшественники AVC (H.264) и AV1.

Более высокая пропускная способность данных благодаря использованию шины PCIe Gen3 и наличию USB 3.1 Gen2

Для многих разработчиков более высокая пропускная способность периферийных устройств также окажется ключевым преимуществом новых процессоров Intel Core. Шина PCIe Gen3 впервые стала доступна в процессорах с низким энергопотреблением, это означает, что скорость передачи данных удвоилась до максимального значения 32 Гбайт/с (по 16 Гбайт на исходящий и обратный канал) по сравнению с PCIe Gen2, поддерживаемой в архитектуре процессора Apollo Lake. Теперь это достигается на частоте 8 ГГц вместо 5 ГГц.

Рис. 2. Мини-компьютеры на модулях SMARC, Qseven и COM Express

Еще одна новая функция для процессоров архитектуры x86 с низким энергопотреблением — поддержка USB 3.1 Gen2, которая обеспечивает значительное повышение производительности по сравнению с USB 3.1 Gen1. На скорости до 10 Гбит/с передача данных происходит вдвое быстрее по сравнению с USB 3.1 Gen1, что позволяет впервые передавать несжатые видеосигналы UHD, например с камеры на монитор через USB.

Полное соответствие режиму реального времени — даже через стандартный Ethernet

Функции новых плат и модулей, которые особенно ценятся в промышленных приложениях реального времени на основе VxWorks и Linux, включают TSN (Time Synchronized Networking, синхронизированная по времени сеть), Intel TCC (Time Coordinated Computing, координированные вычисления во времени) и поддержку гипервизора Real-Time Systems (RTS).

TSN позволяет в реальном времени использовать тактильные интернет-приложения непосредственно через IP. Новые модули и платы на базе процессоров Intel Atom компании congatec предлагают интегрированные MAC, которые поддерживают TSN с пропускной способностью на уровне не менее 1 GbE. Используя технологию TSN уже в течение довольно длительного времени, компания congatec также предоставляет платформы для разработки, которые сочетают сетевое соединение TSN с управлением в реальном времени. Таким образом, заказчики, планирующие интегрировать TSN в свои приложения, могут извлечь прямую выгоду из уже имеющихся готовых к работе решений.

Рис. 3. Плата COM Express Compact в основном используется для высокопроизводительных проектов. Как платформа начального уровня для широкого диапазона масштабируемых характеристик, она позволяет создавать недорогие конструкции

Технология TCC координирует обмен данными на базе Intel IP в реальном времени в направлении ввода/вывода для уменьшения задержки и минимизации джиттера в синхронных процессах. TCC можно настроить с помощью Intel TCC Software Toolkit. Такое решение может быть полезно для приложений реального времени в транспортном секторе, где необходимо интегрировать уже установленную в процессор шину CAN.

Комплексная поддержка виртуализации для консолидации различного оборудования

Естественно, виртуализация оборудования играет важную роль в подключенных системах реального времени, поскольку здесь много­задачность становится ключевым требованием не только для IoT, но и для периферийных устройств. Процессоры Intel Atom поддерживают виртуализацию с помощью технологии Intel VT, которая является привлекательным дополнением к технологиям гипервизора реального времени, таким как предлагаемые компанией congatec решения с гипервизором от RTS. Например, технология Intel VT поддерживает виртуализацию ввода/вывода с одним корнем (SR-IOV). Это позволяет нескольким приложениям, размещенным на виртуальных машинах с операционными системами общего назначения (GPOS), иметь собственный доступ к интерфейсу ввода/вывода, к примеру, одиному из интерфейсов Ethernet. Это довольно привлекательная функция, особенно потому, что этих интерфейсов часто попросту не хватает.

Рис. 4. Плата Pico-ITX полностью готова к применению

Гипервизор от дочерней компании congatec — компании Real-Time Systems, предназначенный для запуска критически важных приложений в реальном времени параллельно с другими многоцелевыми операционными системами, такими как Linux и Windows, без какой-либо дополнительной задержки органично сочетается с аппаратно-интегрированными возможностями виртуализации процессоров Elkhart Lake от Intel. Итак, виртуализация в первую очередь помогает объединить множество задач в одной системе. И количество таких задач в промышленных системах управления следующего поколения, которые в наши дни, помимо управления объектами, часто должны взаимодействовать друг с другом в режиме реального времени, быстро увеличивается. Кроме того, обмен данными на основе IIoT необходим для мониторинга распределенных машин, оптимизации производственных активов и внедрения новых бизнес-моделей с прогнозным обслуживанием и предложениями программного обеспечения в виде услуги (software as-a-service, SaaS). SaaS — это одна из форм облачных вычислений, модель обслуживания, при которой подписчикам предоставляется готовое прикладное программное обеспечение, полностью обслуживаемое провайдером. Многие приложения также требуют интеграции искусственного интеллекта на основе машинного (компьютерного) зрения. Гипервизор RTS поддерживается всеми новыми платами и модулями от компании congatec с новыми процессорами Intel Atom, Celeron и Pentium. Однако эта функция доступна у компании congatec лишь в такой форме.

Искусственный интеллект и машинное зрение

Искусственный интеллект (ИИ) сегодня широко используется для периферийной аналитики. Новые процессоры от компании Intel поддерживают обширный портфель продуктов ИИ и оптимизацию для общих платформ. Особого внимания заслуживает поддержка OpenVino и Microsoft ML. Microsoft ML — это бесплатная библиотека программного обеспечения для машинного обучения для языков программирования C# и F#. При использовании вместе с NimbusML она также поддерживает и модели Python. Набор инструментов OpenVINO включает Intel Deep Learning Deployment Toolkit, оптимизированные OpenCV и процедуры кодирования и декодирования мультимедиа, а также 20 предварительно обученных моделей и примеров программного кода. Эффективный способ начать работу с компьютерным зрением и OpenVINO — использовать комплект консолидации рабочей нагрузки от компании congatec для приложений ситуационной осведомленности на основе машинного зрения. Это готовое приложение, обеспечивающее осведомленность о контексте для роботов, автономных транспортных средств и видеонаблюдения, подсчета пассажиров и пешеходов или в системах автоматического контроля на рынке розничной торговли.

Значительные улучшения в части безопасности

Все периферийные IIoT-устройства априори должны иметь функции безопасности. Для их интеграции OEM-производители могут использовать технологии виртуализации, такие как гипервизор реального времени от компании RTS. Однако в идеале фундамент безопасности уже должен быть заложен в самом оборудовании. Новое поколение процессоров с низким энергопотреблением может многое предложить и в этом отношении. Например, новые платы и модули компании congatec, выполненные на базе процессоров Intel Atom, Celeron и Pentium, для разработки согласованных, действительно надежных приложений для более полного внеполосного управления наряду с полным набором встроенных функций безопасности, таких как подтвержденная загрузка через Intel Boot Guard 2.1, поддержка TPM, включая технологию Intel Platform Trust (Intel PTT) и Intel Dynamic Application Loader (Intel DAL), предлагают и инновационные возможности. Что касается шифрования и дешифрования данных, новые платы и модули также предлагают больше, чем это реализуется обычно. Новые инструкции Intel Advanced Encryption Standard (AES-NI) и расширения SHA для алгоритмов безопасного хеширования с аппаратным ускорением в новых продуктах компании congatec стали еще более мощными. Совершенно новой функцией стала поддержка процессором шифров SMx, набора стандартных алгоритмов, которые особенно широко используются в Китае. Наконец, теперь доступна защита от копирования HDCP 2.3, необходимая для воспроизведения с новейших носителей HD-медиаконтента.

Непрерывная работа в режиме «24×7» и долгосрочная поддержка

Новые платы и модули от компании congatec, выполненные на базе процессоров Intel Atom, Celeron и Pentium (рис. 2–4), разработаны для обеспечения высокой надежности и длительного срока службы. Для процессоров, которые предполагается использовать в жестких условиях индустриальной среды, компания Intel предлагает десять лет непрерывной работы в режиме «24×7» (100% в спящем состоянии S0) и расширенный диапазон температур –40…+ 85 °C или с максимальной температурой кристалла T_J +100…+110 °C. Кроме того, компания Intel планирует предложить гарантированную доступность процессоров в течение 15 лет, что в свою очередь позволит congatec гарантировать такую же доступность для идентичных по функциям продуктов. Это особенно важно, например, для медицинского и транспортного сектора рынка встраиваемых компьютерных приложений. В настоящее время стандартная доступность плат компании congatec составляет 10 лет. Для OEM-производителей с более высокими требованиями к доступности могут быть организованы специальные программы с более длительной доступностью необходимых им продуктов.