Congatec AG
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congatec präsentiert Qseven für den Industrieeinsatz

Leistungsstarkes Raumwunder

Passend zur Industriemesse SPS in Nürnberg präsentiert der deutsche Modulspezialist congatec ein ultrakompaktes COM (Computer-on-Module) im bewährten Qseven-Format, das mit den Single-Chip Prozessoren der Intel® Atom™ E3800 Familie (Projektname Bay Trail-I) bestückt ist. Das Modul eignet sich aufgrund des geringen Stromverbrauches besonders gut für einen platz- und stromsparenden Einsatz von gekapselten, x86-basierenden Anwendungen in der Industrie.

Lange Zeit war der Einsatz von Embedded Computern in der Industrieautomation auf singuläre Controlleranwendungen und große, Backplane-basierende modulare Computersysteme beschränkt. In den letzten Jahren hat sich jedoch ein Wandel hin zu kompakten, aber leistungsfähigen Computersystemen auf Basis von COMs vollzogen. Die Vorteile sind überzeugend: Der Systemhersteller braucht sich nicht mehr um die Weiterentwicklung der aktuellsten Computersysteme zu kümmern, sondern kauft diese ausgereift und schlüsselfertig vorintegriert bei seinem Modullieferanten. So kann er seine eigene Kernkompetenz als Maschinenbauer konsequent dafür nutzen, optimale Schnittstellenanbindungen auf einer eigenen Trägerplatine für seine spezifischen Aufgabenstellungen zu bauen und Software zu entwickeln. 

Als COM-Standards für Neuentwicklungen liegen aktuell vor allem COM Express und Qseven im Trend, der ältere ETX-Standard mit seiner Aktualisierung XTX verliert allmählich an Bedeutung. Kein Wunder, basieren die älteren Standards noch ausnahmslos auf den parallelen Busarchitekturen der späten 90er Jahre. Während bei COM Express gerade die Migration vom dem älteren Typ 2 auf die für aktuelle serielle Busse optimierten Variante vom Typ 6 in Gange ist, kommt der Qseven Standard ganz ohne Altlasten aus, seit der Version 2.0 werden hier sogar auch ARM-Prozessoren unterstützt. Qseven wurde als kompakter, platzsparender Standard konzipiert und ist mit seinen klar definierten thermischen und mechanischen Schnittstellen auf eine konstruktive Wärmeabfuhr (Thermal Design Power, TDP) von maximal 12 Watt ausgelegt. Aus diesem Grund kamen bisher fast ausschließlich Prozessoren aus AMDs G-Serie und Intels Atom-Familie zum Einsatz.

 

Bisherige Atom-Prozessoren galten zwar als stromsparend, der Leistung waren aber doch recht enge Grenzen gesetzt. Dies hatte verschiedene Gründe: Die Mikroarchitektur hat sich seit der ersten Einführung der Atom-Familie mit der Silverthorne-Mikroarchitektur vor mehr als fünf Jahren kaum verändert und einen Tick-Tock (jährliche abwechselnde Aktualisierung von Mikroarchitektur und Fertigungstechnologie) wie bei Core-i Serie Prozessoren gab es bisher nicht. Die Weiterentwicklung, beschränkte sich bisher auf nur wenige Erweiterungen (Intel64-Befehlssatz, Dual-Core, Hyperthreading, HD-fähige Grafik) und Anpassungen an die Fertigungsarchitektur. Die Grafikleistung des bisherigen Grafikprozessors ,das Fehlen der Fähigkeit zur Out-of-Order Execution (einer effizienteren Art der internen Befehlskettenverarbeitung) und das Nichtvorhandensein eines Turbomodus sorgten für einen immer größeren Abstand zu den leistungsstärkeren Modellen der Core-i Serie und einer schwindenden Konkurrenzfähigkeit zur wachsenden Konkurrenz durch aktuelle Prozessoren von AMD. Zudem ist ein Großteil der bestehenden x86-Software für Out-of-Order Execution optimiert, was immer wieder zu Inkompatibilitäten führen konnte, die zusätzlichen Programmier- und Debugaufwand bedeuteten.

Neuer Atom-Prozessor mit mehr Leistung durch Redesign

Der Wechsel zur neuen Silvermont-Mikroarchitektur mit vielen sinnvollen, von den Core-i Serie Prozessoren bekannten Erweiterungen, die Einführung von Out-of-Order Execution zur schnelleren Befehlskettenausführung und eine aktuelle und konkurrenzfähigen Grafik mit DX11- und OpenGL 3.2-Unterstützung bringen die neuen Atom-Prozessoren technologisch wieder auf die Höhe der Zeit. Die bisher von AMD gefüllte Lücke im Leistungsbereich zwischen den bisherigen Atom-Prozessoren und den Core-i Prozessoren kann mit den neuen Atom-Prozessoren der Bay Trail-I Familie von Intel jetzt selbst geschlossen werden. Mit ihren Eigenschaften und Möglichkeiten schließen diese  jetzt im Leistungsspektrum gut an das untere Ende der aktuellen Ivy-Bridge-Generation an. Die Fertigung in aktuellster 22 nm Tri-Gate Transistortechnologie ermöglicht  geringen Stromverbrauch und konkurrenzfähige Leistung zu attraktiven Preisen. Nach Angaben von Intel soll die Leistung bei gleichem Stromverbrauch bis zu dreimal so hoch sein bzw. bei gleicher Leistung der Stromverbrauch nur ein fünftel des Wertes der bisherigen Atom-Generation betragen. Atom-Prozessoren sind jetzt erstmals  auch als Quadcore-Prozessoren lieferbar. Diese erweitern das Angebot der bisherigen Dualcore-Prozessoren mit Hyperthreading, das für die neuen Atom-Prozessoren nicht mehr verfügbar ist. Die neu eingeführte Turbo-Burst Technologie ermöglicht es, dass  innerhalb des thermischen Budgets einzelne Cores und die Grafik lastabhängigdeutlich höher getaktet werden können, was einen weiteren Zuwachs bei der erzielbaren Spitzenleistung bedeutet.

Die Grafik beruht auf der Intel Gen7 Grafik, wie sie auch in der HD3000 der Ivy Bridge verwendet wird. Sie enthält aktuelles DirectX in der Version 11 und OpenGL in der Version 3.2, Hardware- Codierung und Decodierung von HD-Videos, verfügt aber hier nur über 4 statt 16 Ausführungseinheiten (Execution Units) was bei in etwa gleichen Taktfrequenzen in entsprechend geringerer Leistung resultiert. Trotz dieses deutlichen Abstands zu den Prozessoren der i-Serie ist die Leistung dennoch eine Größenordnung besser als bei den Vorgängermodellen und für die meisten industriellen Anwendungen mehr als ausreichend.

 

Mit AES-NI verfügen nun erstmals auch die Atom-Prozessoren über Hardwareunterstützung für den weit verbreiteten AES- Verschlüsselungsalgorithmus. So lassen sich nun auch bei den Atom-Prozessoren gespeicherte oder zu übertragende Daten in Echtzeit verschlüsseln bzw. entschlüsseln, ohne die CPU dabei nennenswert zu belasten. Besonders wichtig ist dies bei der Nutzung von Halbleiter-Massenspeichern (SSDs), da sich hier Daten kaum vollständig löschen lassen.

Unterstützt werden auch Intel® VTx-Virtualisierung sowie Thermal Monitoring. Das neue, verbesserte Power-Management unterstützt Stromsparmodi bis C6 und wie bisher schon einige Vorgängermodell die Intel Speedstep®-Technologie. Zur Erhöhung der Sicherheit kann im aktuellen UEFI (Unified Extensible Firmware Interface) mit der Secure Boot Option das booten auf vorher signierte Bootloader beschränkt werden um die Ausführung von Schadsoftware oder anderen unerwünschten oder unautorisierten Programmen zu verhindern.

 

Mit USB3.0, embedded DisplayPort (eDP), SATA Gen 2 und PCI Express Gen2 sind die neuen Atom-Prozessoren nun auch on-Chip mit allen aktuellen Schnittstellen ausgerüstet und stellen echte Systems-on-Chip (SoC) dar.

Perfekt für platzsparenden Industrieeinsatz und passive Kühlung: Das neue conga-QA3 Modul im ultrakompakten Qseven-Format.

Als langjähriger Intel-Partner und Erfinder des inzwischen weltweit gut etablierten Qseven-Standards kann der deutsche Modulspezialist congatec bereits zeitgleich mit der Einführung der neuen Prozessorgeneration durch Intel sein neues Qseven COM conga-QA3 anbieten. Der Kunde erhält hier nicht nur ein hoch leistungsfähiges, nur 70x70mm² kleines Modul, sondern auch dazu passende Trägerboards bzw. Entwicklungssysteme einschließlich Software und Support für die Entwicklung eigener Systeme.

 

Die Eigenschaften des conga-QA3 im Einzelnen:

 

Das conga-QA3 kann aktuell mit Single- bis Quadcore- Embedded Prozessoren der Intel Atom E3800 Familie sowie passenden embedded Celeron Prozessoren ausgestattet werden. Mit embedded Celeron bezeichnet Intel künftig auch preisgünstige Volumenmodelle der Bay Trail Familien. Allen Prozessoren gemein ist die Ausführung als Singlechip-Prozessoren, bei denen Grafik und der passende Chipsatz jeweils bereits mit im Gehäuse integriert sind. Wichtig für Embedded-Anwender ist auch die Langzeitverfügbarkeit von Prozessoren und Modul von mindestens sieben Jahren.

 

Das Modul unterstützt schnellen Dual-Channel DDR3L Speicher bis zu 8GB; bei den Low-End-Varianten bis zu 4GB im Single-Channel Modus; aktuelle Module werden mit 2 GB Dual-Channel DDR3L Speicher mit einem Durchsatz von 1.333 MT/sec ausgeliefert. Als Massenspeicher stehen standardmäßig 4GB eMMC Flash zur Verfügung, die als SSD und Bootdevice genutzt werden können.


Die gegenüber dem Vorgängermodell deutlich leistungsfähigere integrierte Grafik unterstützt DirectX 11.0, OpenGL 3.2, Hardware Codierung/Dekodierung verschiedener Standards in Full-HD, darunter H.264, sowie zwei unabhängige, hochauflösende Displayinterfaces mit Auflösungen von 1920x1200 Pixeln (eDP/LVDS/HDMI) bzw. 2560x1600 Pixeln (DisplayPort).

 

Die native USB 3.0 Unterstützung des Moduls sorgt für eine schnelle Datenübertragung bei geringem Energieverbrauch. Insgesamt werden sechs USB 2.0 Ports sowie ein USB 3.0 Superspeed Port bereitgestellt. Zwei SATA 3G Schnittstellen mit bis zu 3 Gb/s sowie eine Gigabit Ethernet-Schnittstelle ermöglichen schnelle und flexible Systemerweiterungen. Aktive Lüfterkontrolle, LPC-Bus für die einfache Anbindung von Legacy I/O Schnittstellen, I²C-Bus, Intel® High-Definition Audio sowie UART und SPI Interfaces runden das Funktionsset ab. Ein onboard integrierter Feature Connector sorgt zudem noch für eine MIPI (Mobile Industry Processor Interface)- kompatible Kameraschnittstelle. Als Betriebssysteme werden Windows 8, Windows 7 und embedded Linux unterstützt.

Einsatzgebiete und Anwendungen

Mit seinen kompakten Maßen und der hohen Leistung bei äußerst geringem Stromverbrauch eignet sich das conga-QA3 besonders gut für platzsparenden Einsatz und passive Kühlung. So können leistungsfähige, hochkompatible x86-basierende Embedded-Systeme für den rauen Industrieeinsatz in Taschenbuchgröße hermetisch gekapselt werden. Durch die geringe Größe und die leistungsfähige serielle Kommunikationsarchitektur können hoch leistungsfähige Systeme einfach und kostengünstig realisiert werden. Langzeitverfügbarkeit von Chip und Board von mindestens 7 Jahren, sowie die hohe Betriebssicherheit durch die ausschließliche Verwendung von keramischen Kondensatoren machen das conga-QA3 zur perfekten Lösung für sicheren und zuverlässigen Einsatz im erweiterten Temperaturbereich und im rauen industriellen Umfeld. Gegenüber vergleichbaren Systemen auf ARM-Basis überzeugt hier die volle x86-Codekompatibilität bei geringster Leistungsaufnahme. Bestehende x86-Applikationen können also weiter verwendet werden und müssen nicht erst langwierig und mühsam auf eine neue Plattform portiert werden. Die integrierte HD- und Touch-tauglich Grafik mit der Unterstützung zweier unabhängiger, hoch auflösender Bildschirme ermöglicht weitere typische Anwendungen wie Display-PCs, und Touch-basierende Maschinensteuerungen. Für sicherheitskritische Anwendungen ermöglicht die gestiegene Leistung jetzt auch den Einsatz moderner Virtualisierungsmethoden wie etwa eines Hypervisors; die eingebaute Hardware-Unterstützung AES-NI ermöglicht darüber hinaus noch abhörsichere Datenverschlüsselung ohne wesentliche CPU-Belastung.

Blick in die Zukunft:

Mit der neuen Atom-Generation wird endlich die leistungsmäßige Lücke zwischen den bisherigen Atom-Prozessoren und den hoch performanten, aber leistungshungrigen Prozessoren der Core-i Serie geschlossen. Sie erweitert die Einsatzmöglichkeiten des Qseven-Standards beträchtlich und dies auch noch zu äußerst attraktiven Preisen. Dem industriellen Anwender erschließen  sich neue Einsatzgebiete, für die aufgrund der auf 12 W begrenzten TDP bisher schlicht die Leistung fehlte. Für Kunden, die ihr Leistungsportfolio weiter nach oben skalieren wollen oder bereits COMs einsetzen bietet congatec auch Module mit den neuen Atom-Prozessoren im bewährten COM Express Compact Format an; für Neueinsteiger in die Modultechnik wird künftig Qseven die erste Wahl sein, wenn es um stromsparende und ultrakompakte Anwendungen mit passiver Kühlung geht. Congatec als Modulexperte unterstützt beides und kann so seine Kunden unvoreingenommen beraten.