Congatec AG
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Supercomputer im Supermarkt

 

Der sogenannte Retail-Bereich ist ein großes Anwendungsgebiet für Embedded-Computer. Doch was versteckt sich dahinter? Was sind hier die besonderen Herausforderungen, und wie kann die Computertechnologie helfen? COM Express mit neuem AMD Embedded G-Series SOC erweist sich als ideale Plattform für unterschiedliche Retail-Anwendungen

 

Das neudeutsche Wort „Retail“ meint letztlich den Einzelhandel. Der „Tante Emma Laden“ mit persönlicher Beratung und Bedienung gehört leider der Vergangenheit an, „persönliche“ Unterstützung ist aber auch in den heutigen Supermärkten notwendig und wird immer häufiger von Computersystemen übernommen. Die Anwendungen sind vielfältig. Gedruckte Werbeplakate werden immer mehr von großflächigen Bildschirmen, also Digital-Signage-Geräten, ersetzt. Hier können Sonderangebote und Werbeaktionen innerhalb weniger Sekunden aktualisiert werden, gleichzeitig und zentral gesteuert für tausende Niederlassungen großer Handelsketten. Es gibt sogar erste Anwendungen, bei denen an den Einkaufswagen mobile Computer montiert werden, um als Einkaufsberater und Navigationssystem innerhalb der großflächigen Läden zu agieren. Preisschilder an Regalen werden elektronisch aktualisiert, synchron mit der digitalen Werbung und angebunden an das Warenwirtschaftssystem. Auch Kassensysteme sind an das Warenwirtschaftssystem angebunden, um immer die aktuellsten Preise zu verwenden und um jederzeit einen Überblick über den aktuellen Warenbestand zu gewährleisten. Selbst die Waagen sind vernetzt und steuern ganz nebenbei gleich mehrere Bildschirme an, um dem Kunden zum gekauften Spargel auch gleich die passende Soße aus dem Sortiment anzupreisen.

Computer vermeidet Warteschlangen

Erste Ansätze von Selbstbedienungs-Kassen werden hierzulande zwar noch nicht wirklich akzeptiert, doch mit dem zunehmenden Einzug modernerer Warenerfassungssystemen wie z.B. RFID wird die Handhabung zukünftig deutlich einfacher. Damit könnten dann alle Produkte im Einkaufswagen erfasst werden ohne diese extra rausnehmen zu müssen. Dies wird die Akzeptanz auch in unserer Region erhöhen, und Warteschlangen an den Kassen werden so komplett verschwinden.

Doch nicht nur der Verkauf, sondern auch die Rücknahme z.B. von Pfandflaschen wird von Embedded-Computertechnik gesteuert. Die in großen Stückzahlen verwendeten Rückgabeautomaten benötigen einiges an Steuerungstechnik, so z.B. zur Prüfung visueller Merkmale wie z.B. der Logos der unterschiedlichen Pfandsysteme oder zum Wiegen, Pressen oder Ablegen der Leerflaschen. Hier werden viele aktuelle Computertechnologien genutzt: Von der grafischen Benutzerführung per Touch-Screen, die einen schnellen Videocontroller benötigt, bis hin zur Analyse von Videodaten, die hohe Rechenleistung erfordert. All das muss in Sekundenschnelle passieren, sonst wechselt der Kunde entnervt zum Mitbewerber.

Das Einkaufserlebnis wird daher immer mehr zum wichtigen Differenzierungsmerkmal. Als Ganzes betrachtet, ist ein moderner Supermarkt schon fast ein vernetzter Supercomputer. Ohne die im Hintergrund agierenden Embedded-Computersysteme wäre Vieles nicht möglich – und täglich kommen neue Möglichkeiten hinzu.

Alle diese Anwendungen benötigen spezialisierte und hoch verlässliche Computersysteme, die in Zeiten steigender Energiekosten möglichst effizient arbeiten sollten. Moderne Prozessortechnologien wie z.B. das neue Embedded G-Series SOC von AMD (Bild 1) bieten ein exzellentes Verhältnis von Leistung pro Watt und eine flexible Aufgabenverteilung auf CPU und GPU. Somit ist dieses Modul hervorragend für kostensensitive Applikationen zur Visualisierung und Steuerung geeignet – und das ist genau eine der Kernanforderungen im Retail-Bereich.

Computermodule für anpassbare Systeme

Um den unterschiedlichen Anwendungen die jeweils optimale Rechen- und Grafikleistung zu bieten und obendrein die jeweiligen speziellen Interfaces bereitzustellen, kommen hier meist Computermodule auf Basis des „COM Express“-Standards zum Einsatz. Dazu wird je Anwendung ein spezialisiertes Carrier-Board entwickelt, das einen Steckplatz für den Embedded-Rechner in Form eines COM-Express-Moduls anbietet.

Das conga-TCG (Bild 2) ist in diesem Zusammenhang besonders geeignet: Ein kompaktes COM-Express-Modul, das sich mit einer Größe von 95 × 95 mm2 leicht in die jeweilige Anwendung integrieren lässt. Der hier verwendete Prozessor AMD G-Series SOC (System-On-Chip) enthält CPU, Chipsatz und Grafik auf einem Chip. Im Gegensatz zur Vorgängerversion mit zwei Chips bietet die neue SoC-Plattform nochmals mehr Multimedia-Leistung, eine höhere (heterogene) Processing-Performance und unterstützt ECC-Speicher.

Die neuen AMD Embedded G-Series SOCs sind als Dualcore- und Quadcore-Versionen erhältlich. Sie basieren auf dem neuem „Jaguar“ CPU-Kern in 28-nm-Fertigungstechnologie und der AMD Radeon-GPU der 8000er-Serie. Diese können bei höheren Taktraten mehr Befehle pro Taktzyklus verarbeiten, was sich auch bei der Ausführung verschiedener rechenintensiver Standard-Benchmarks widerspiegelt: Die AMD G-Series SOCs weisen im Vergleich zur Vorgängergeneration der G-Series-APUs eine um bis zu 113 Prozent verbesserte CPU-Performance auf. Auch die in Hardware realisierten Multimedia-Beschleuniger wurden überarbeitet: So bietet der verbesserte Universal Video Decoder neue Möglichkeiten für die hardwaregestützte Video-Kodierung. Zudem hat AMD das Clock-Gating verbessert und auf die Multimedia-Engine erweitert, um die Leistungsaufnahme weiter zu verringern.

Beim conga-TCA werden von der integrierten GPU die Grafikinterfaces VGA, Sin-gle-/Dual-Channel-LVDS mit 18/24 bit sowie DisplayPort 1.2 und DVI/HDMI 1.4a ausge-führt, über die zwei unabhängige Displays direkt angesteuert werden können (Bild 3). Über Display Port 1.2 wird auch Multistream unterstützt, um im Daisy-Chain-Modus bis zu zwei Displays pro Grafik-Anschluss anzusteuern. Dies ist ideal für alle grafikintensiven Applikationen wie z.B. für Digital-Signage-Anwendungen. Die integrierte AMD-Radeon-Grafik mit dem Universal Video Decoder 4.2 für die flüssige Verarbeitung von BluRays mit HDCP (1080p), MPEG-2-, HD- und DivX-(MPEG-4)-Videos unterstützt DirectX 11.1 und OpenGL 4. Die Open Computing Language OpenCL 1.1 ermöglicht rechenintersive Aufgaben mit einer hohen Parallelität auf den Grafikprozessor auszulagern. Die Analyse von Videodaten kann z.B. per OpenCL-Programmierung komplett und extrem schnell von der Grafikengine abgearbeitet werden, da sich solche Aufgaben sehr gut parallel von den zahlreichen Execution-Units in der GPU ausführen lassen. Solchen Applikationen stellt die integrierte GPU über OpenCL-APIs eine Rechenleistung von bis zu 256 GFLOPs zur Verfügung.

Lüfterlos dank geringer Leistungsaufnahme

Der geringe Leistungsbedarf der neuen SoCs ermöglicht zudem lüfterlose Designs. Damit werden Systeme nicht nur leiser, sondern auch zuverlässiger, da fehleranfällige mechanische Bauteile wie Lüfter entfallen können. Bei Wartezeiten in der Anwendung, was gerade im Retail häufig auftritt, frühmorgens werden z.B. nur wenige Leerflaschen zurückgebracht, wirkt sich das ausgeklügelte Powermanagement positiv aus. Der CPU State C6 „deep power down“ ist auch auf der Multimedia-Engine verfügbar, um den Stromverbrauch weiter zu senken, ohne dabei den Bedienkomfort zu schmälern, da der Rechner weniger als eine Millisekunde benötigt, um vom Energiesparmodus auf volle Rechenleistung zu schalten.

Das conga-TCG unterstreicht seine Vielseitigkeit durch einen großen Performancebe-reich. Derzeit bietet congatec insgesamt vier x86-Prozessoren der AMD Embedded G-Series SoC Plattform an. Sie reichen vom AMD GX-210JA 1,0 GHz Dualcore mit 6 Watt TDP bis hin zm AMD GX-420CA 2,0 GHz Quadcore mit 25 Watt TDP.

Das bereits in der Firmware und im congatec Board Controller integrierte Batteriemanagement des conga-TCG ermöglicht eine einfache Realisierung von mobilen Systemen, wie sie z.B. bei Systemen direkt am Einkaufswagen benötigt werden. Mit dem zusätzlichen Smart Battery Manager conga-SBM3 können bis zu zwei Batterien verwendet werden, um einen möglichst langen Mobil¬einsatz zu gewährleisten. Kommt ein Betriebssystem mit ACPI-Unterstützung wie z.B. Windows oder Linux zum Einsatz, steht der Batteriestatus ohne weitere Software- oder Firmware-Änderung sofort zur Verfügung.

Kameras können beispielsweise über die flexibel konfigurierbaren vier PCI-Express-x1-Lanes der 2. Generation oder die beiden USB-3.0-Ports verbunden werden. Über acht USB-2.0-Ports und zwei serielle COM-Ports lassen sich Kassensysteme flexibel erweitern, weitere COM-Ports können über den LPC-Bus einfach generiert werden. Massenspeicher werden über die beiden SATA-3-Gbit/s-Ports oder auch das SD-Card-Interface angebunden. Die Gigabit/s-Ethernet-Schnittstelle erlaubt eine Anbindung an lokale Infrastruktur. Um bei einer Datenanbindung über das Internet, wie es z.B. bei vielen Digital-Signage-Anwendungen notwendig ist, hohe Datensicherheit zu realisieren, kann das conga-TCG optional mit einem TPM-Chip (Trusted Plattform Module) ausgestattet werden.

Der integrierte congatec Board Controller, ein von der CPU unabhängiger Mikrocon-troller, bietet viele System-Monitoring-Funktionen und stellt u.a. auch einen mehrstufigen Watchdog-Timer zur Verfügung. Damit kann sich ein System selbst überwachen und z.B. im Falle einer fehlerhaften Software einen selbständigen Neustart erzwingen. Mit dieser einfachen und in der Industrie bewährten Methode können peinliche Systempannen vermieden werden.

Die Anforderungen der Retail-Branche an die zahlreichen dort eingesetzten Computersysteme sind durchaus mit den hohen Anforderungen in der Automatisierungstechnik vergleichbar. Die Systeme müssen für den Dauereinsatz, also 24×7, ausgelegt sein. Die Bediener vor Ort sind keine Computerspezialisten und die Systeme müssen sehr robust sein. In beiden Bereichen kommen also idealerweise industriell ausgelegte embedded Computermodule zum Einsatz.