Damit Unternehmen nicht von Datenwellen überrollt werden, können sie auf diverse Rechner- und Speicherlösungen zurückgreifen.

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Wirtschaftliche Rechner- und Speicherlösungen Mit Embedded-Lösungen die Datenflut beherrschen – aber wie?

18.02.2021

Um das hohe Innovationspotenzial der Digitalisierung in Wettbewerbsvorteile umzumünzen, gilt es, explodierende Datenmengen zu beherrschen. Häufig reicht es dabei nicht aus, die von digitalen Sensoren gelieferten Daten in Rechenzentren oder einer Cloud zu speichern. Hier werden auf Applikation und Einsatzbedingungen zugeschnittene Lösungen benötigt.

Die fortschreitende Digitalisierung führt zu einem bisher nie dagewesenen Datenaufkommen. Durch das Internet of Things (IoT) werden Maschinen, Werkzeuge und Anlagen über das Internet vernetzt. Mithilfe Künstlicher Intelligenz (KI/AI) können diese „Dinge“ aus Erfahrungen lernen und Aufgaben eigenständig lösen. Dabei zeigt sich: Je komplexer und intelligenter die Anwendung, desto mehr Daten fallen an.

Bei einer Kombination von AI und IoT zum Artificial Internet of Things (AIoT) gewinnen lernende Maschinen an Intelligenz und kognitiven Fähigkeiten, wie sie für Echtzeitanforderungen in autonomen Systemen gebraucht werden. Dabei ergibt sich eine auf den ersten Blick einfache Rechnung: Je intelligenter die Maschine und je mehr Sensoren, desto mehr Daten müssen verarbeitet werden. Doch wie können diese immensen Datenmengen so gespeichert werden, dass sie in Echtzeit verknüpft werden können und jederzeit unmittelbar abrufbar sind, ohne die Wirtschaftlichkeit aus den Augen zu verlieren?

Der Ansatz, die Daten an zentralen Stellen wie Datencentern zu aggregieren und zu speichern, ist sinnvoll, solange das Datenaufkommen pro Gerät nicht zu hoch ist und geringe Anforderungen an die Reaktionszeit des Systems gestellt werden. Denn mit zunehmender Datenmenge steigen die Verbindungskosten überproportional, speziell wenn eine hohe Verfügbarkeit der Internetanbindung gefordert ist.

Kommen noch garantierte Bandbreiten und Antwortzeiten (geringer Netzwerk-Jitter) dazu, wird der Ansatz schnell unwirtschaftlich. Die Verarbeitung und Speicherung der Daten am Edge erscheint als ein vielversprechender Ansatz. Doch was tun, wenn die im Unternehmensbereich eingesetzten IT-Lösungen den Anforderungen im Feld nicht standhalten, weil sie nicht für den Einsatz am Edge konzipiert wurden?

Besondere Limitierungen in Industriecomputern

Es sind die unterschiedlichsten Typen Industriecomputer für bestehende Anwendungen verfügbar. Aber diese sind nur in den seltensten Fällen für die datenintensiven Anwendungen des AIoT optimiert.

Limitierungen kommen im Bereich der Speicherbandbreite und –kapazität, der verfügbaren IO-Bandbreite und nicht zuletzt der unzureichenden Optionen für hochperformante, ausreichend große und zuverlässige Massenspeicher zutage. Gerade Massenspeicher sind in vielen Embedded-Anwendungen traditionell für Betriebssystem, Anwendungsprogramme und nur für wenige dynamische Daten vorgesehen.

Kein Wunder, dass die meisten Industriecomputerhersteller zwar die verschiedenen Motherboards und Gehäuse selbst entwickeln und herstellen, die Festplatten beziehungsweise die Speicher in Form von SSDs aber von Drittanbietern zukaufen.

Anforderungen an industrielle Speicherlösungen

Ob industrielle Datenaufzeichnung, intelligente Assistenzsysteme oder autonome Lösungen – einige technische Anforderungen sind diesen Systemen gemeinsam:

  • Rechenleistung: Diese wird nicht nur durch die Anzahl und Taktfrequenz der CPU-Kerne bestimmt. Auch die Effizienz des Instruktionssatzes hat entscheidenden Einfluss auf die Leistungsfähigkeit einer Plattform. Fließkommaoperationen spielten in der Vergangenheit eine große Rolle und werden heute um Anforderungen für Matrix und Bildberechnungen bis hin zur Inferenz komplexer neuraler Modelle ergänzt. Damit erweitert sich das Spektrum der eingesetzten CPUs. Es reicht von den klassischen Desktop/Notebook-Prozessoren bis hin zu Serverprozessoren und speziellen System-on-Chips mit integrierten Beschleunigern wie GPUs, Video- und Imageprozessoren. Sollen Beschleuniger extern angebunden werden, müssen ausreichend viele PCI-Express-Schnittstellen zur Verfügung stehen, um die notwendige Bandbreite zu gewährleisten.

  • Hauptspeicher: Mit steigender Komplexität und der Forderung nach kurzen Reaktionszeiten steigt unweigerlich Bedarf an schnellem Cache-Speicher auf der CPU. Durch die Begrenzung der (wirtschaftlichen) Cache-Größe setzt sich dies in der Notwendigkeit fort, immer mehr (Meta-)Daten im Hauptspeicher vorzuhalten. Dadurch steigt sowohl der Bedarf an den Speicherausbau als auch den Durchsatz. Dies führt unweigerlich zu einem Mehr an Speicherkanälen und Speichersteckplätzen. Prozessoren, die in „normalen“ Industriecomputern mit zwei Speicherkanälen und maximal vier Steckplätzen einen guten Dienst getan haben und tun, müssen hochperformanten, intelligenten Lösungen und Prozessoren mit sechs und mehr Speicherkanälen weichen.

  • Massenspeicher: Zur nichtflüchtigen Ablage von Daten werden vermehrt Solid State Disks eingesetzt. Trotz sinkender Kosten per Gigabyte gilt es, die notwendige Speicherkapazität möglichst effizient zu implementieren. Dabei ist neben den Kosten die Zuverlässigkeit der einzelnen SSD genauso wichtig wie die Ausfallsicherheit auf Systemebene (RAID). Auf der SSD-Ebene haben, neben der eingesetzten Flash-Technologie, in Firmware umgesetzte Parameter wie das Overprovisioning, die Fehlererkennung und –korrektur sowie der Wear-Levelling-Algorithmus wesentlichen Einfluss. Schließlich müssen die SSDs über eine performante Schnittstelle an die CPU angebunden werden. PCI-Express verdrängt hier zusehends die SATA-Schnittstelle.

  • IO-Bandbreite: Nicht nur für die Anbindung von Massenspeichern und Beschleunigern müssen ausreichend Schnittstellen zur Verfügung stehen, sondern auch zu Sensoren, Ausgabegeräten und zur Kommunikation mit der Außenwelt. Auf Systemebene ist ein gutes Verständnis der CPU/Chipsatz-Plattform notwendig, um Engpässe zu vermeiden: Häufig bieten Chipsätze und SoCs mehr Konnektivität als tatsächliche Bandbreite, da alle Daten über gemeinsame On-Chip- beziehungsweise Inter-Chip-Busse geroutet werden. Teilen sich zudem sehr langsame und schnelle Peripherieeinheiten diese Kommunikationswege auf dem Silizium, können unter Umständen neben der durchschnittlichen Bandbreitenlimitierung noch Datenverluste auftreten, wenn langsame Teilnehmer den Bus sehr lange blockieren und dabei die Datenpuffer der anderen Schnittstellen überlaufen. Speziell für Serveranwendungen konzipierte Prozessoren und SoCs bieten daher eine Vielzahl von PCI-Express-Schnittstellen mit direkter Anbindung an die High Speed Fabric des Siliziums an.

  • Optimierung für die Einsatzbedingungen: Die optimierte Systemarchitektur muss zu guter Letzt in ein Systemdesign umgesetzt werden, das den Anforderungen genügt. Dazu gehören natürlich nicht nur die anzuwendenden Regularien und Umweltbedingungen. Schutzklassen, Störfestigkeit, Betriebssicherheit, Schock, Vibration sind häufig genauso von Bedeutung wie Temperaturbereich oder Geräuschentwicklung. Diese verschiedenen Anforderungen gilt es unter einen Hut zu bekommen. Nicht selten bedarf es dazu einer spezifischen Gehäusekonstruktion oder einer Optimierung der Kühllösung bis hinunter auf die Komponentenebene (zum Beispiel SSDs). Zusätzlich kommen auch applikationsspezifische Kriterien wie die Ausfallsicherheit oder die unmittelbare Einsatzbereitschaft nach einem Neustart zum Tragen, die Anpassungen der Systemsoftware und –firmware notwendig machen.

Systemumsetzung auf Basis bestehender Komponenten

Um komplexe Produkte auf Basis dieser Anforderungen effizient zu kundenspezifischen Lösungen zu entwickeln, ist es unabdingbar, auf vorhandenes Know-how und Bausteine zurückzugreifen – zu aufwendig, zu risikobehaftet und langwierig wäre die Entwicklung ohne ein solche Grundlage als Startpunkt. Im Gegensatz zur einfachen Systemintegration ist es aber nicht ausreichend, bestehende Standardprodukte zu kombinieren. Aufgrund der spezifischen Anforderungen müssen kritische Elemente neu entwickelt oder angepasst werden.

Häufig werden die Systemeigenschaften erst durch Kombination mehrerer Maßnahmen erfüllt. So kann zum Beispiel zum Erreichen des geforderten Betriebstemperaturbereichs neben einem speziellen Gehäusedesign eine Anpassung der Kühllösung der CPU und der SSDs, eine geänderte Regelung für die Lüfter und Anpassung der SSD-Firmware notwendig sein. Daher ist es von großem Vorteil, wenn der Systementwickler den vollen Zugriff auf die zugrundeliegenden, kritischen Technologien und Komponenten hat.

Als strategischer Partner aller führenden Siliziumhersteller für Prozessoren und System-on-a-Chip (SoCs) und Embedded-Anbieter bringt Advantech dabei ein breites Portfolio von Standardprodukten mit ein. Jegliche Formfaktoren als Board, Modul oder System mit und ohne Display stehen zur Verfügung. Das Portfolio an Computing-Lösungen schließt Standardprozessoren sowie spezialisierte SoCs und Serverprozessoren ein.

Ein Fundus an Intellectual Property erlaubt es dem Unternehmen, den optimalen Startpunkt für das jeweilige Systemdesign individuell bestimmen. So können Entwicklungszeiten deutlich verkürzt und auch die Kosten optimiert werden, zudem bleiben Risiken überschaubar. Im Gegensatz zur klassischen Auftragsfertigung – und im Vergleich mit „typischen“ Embedded-Anbietern und Designhäusern – profitieren Kunden dabei von einer neutralen Beratung bei der Auswahl der CPU-Plattform und Architektur.

Doch auch wenn es um die zusätzlichen Komponenten geht, kann Advantech aus dem Vollen schöpfen: Im Unternehmen entwickelte Speichermodule, SSDs und Beschleunigermodule, die für industrielle Anwendungen optimiert sind, erlauben vollen Zugriff auf alle Stellschrauben, die für ein optimiertes Systemdesign erforderlich sind. Unter anderem wird das BIOS der eingesetzten Rechnerplattform tiefgreifend optimiert, um die Boot-Zeit zu optimieren und die geforderte Systemverfügbarkeit nach Neustart zu gewährleisten. Standard-BIOS-Lösungen geraten hier schnell an unüberwindbare Grenzen angesichts der hohen Hauptspeicherkapazitäten und vielen Peripheriekomponenten, die es zu initialisieren gilt.

Das Konzept der eigenentwickelten Komponenten bringt aber auch noch einen weiteren wesentlichen Vorteil: Letztlich muss sich ein Produkt im kompletten industriellen Lebenszyklus bewähren – durch die Kontrolle über den Lebenszyklus der Komponenten und die Möglichkeit der vollumfänglichen Qualitätssicherung inklusive Verbesserung im eigenen Haus kann das Unternehmen das Projekt über die gesamte Lebensdauer begleiten.

Design & Manufacturing Services (DMS)

Die maßgeschneiderten Lösungen von Advantech werden in enger Abstimmung mit den speziellen Anforderungen der Kunden individuell designt, und zwar direkt vor Ort. Die Kommunikation mit den Kunden erfolgt in der jeweiligen Landessprache und gleicher Zeitzone. Denn das optimierte Systemdesign erfordert nicht nur Grundtechnologien und Skills, sondern auch einen intensiven Informationsaustausch mit dem Kunden.

Durch ein regionales Kompetenzzentrum in Europa schafft das Unternehmen den Spagat, die lokale Kundennähe mit dem Standortvorteil des Hauptsitzes in Taiwan zu verbinden: Denn dort befindet sich die Workbench der IT und Computerindustrie. Nirgendwo sonst auf der Welt werden so viele Computer entwickelt wie in Taiwan. Damit verbunden ist ein reiches Ökosystem an Zulieferern, Technologiepartnern und ein fast unerschöpflicher Pool an Human Ressources.

Auf diese Art und Weise vereint das Unternehmen das Beste aus beiden Welten: qualitativ hochwertige Standardprodukte und hohe Fertigungstiefe aus dem Headquarter in Taiwan, kombiniert mit kundenspezifischer Entwicklung, Konzeption und Feinschliff von spezialisierten Experten vor Ort in Europa.

Mehrwert durch intelligente Dienstleistung

Durch die langjährige Erfahrung im Design von Standard-und kundenspezifischen Lösungen legt Advantech besonderen Fokus darauf, komplementär zum Kunden früh im Projektstadium kritische Bereiche des Designs zu analysieren und so technisches und zeitliches Risiko wesentlich zu minimieren. Auf Baugruppenebene liefert das Unternehmen bereits während der Konzeptphase ein 3D-Modell der Baugruppe und ermöglicht dem Kunden so, die Integrierbarkeit auf Systemebene zu prüfen. Im Systemdesign werden durch die Verbindung von Konstruktion und thermischer Simulation konzeptionelle Probleme bereits im Frühstadium eliminiert – während Rapid Prototyping und Renderings gleichzeitig schon eine Beurteilung des finalen Designs erlauben.

Auch können Firmware, BSPs angepasst und erweitert sowie Middleware wie Media Stacks und AI-Pakete integriert werden. Das Unternehmen validiert und begleitet das System durch alle Zulassungen und überführt es in die Serienfertigung. So entstehen durch die Kombination von Standardprodukten beziehungsweise -technologien und Optimierungen ganz neue Plattformen – und das zeit- und kostensparend.

Fazit

Bei Geräteherstellern und Lösungsanbietern ergeben sich auf Systemebene neue Anforderungen, die in Bezug auf Systemarchitektur und in der Umsetzung beherrscht werden müssen. Durch die gezielte Kombination verschiedener Standardkomponenten und Technologien auf dem aktuellen Stand der Technik aus einer Hand können gezielt die notwendigen Änderungen für ein optimiertes Systemdesign erreicht werden.

Advantech etwa bietet neben den benötigten Building Blocks über ein europäisches Kompetenzzentrum mit spezialisierten Entwicklern, Projektmanagern und Architekten unter dem Begriff „DMS- Design & Manufacturing Services“ die zugehörige Dienstleistung vom Konzept bis zur Serienreife an. Die optimierte Lösung bietet nicht nur in der Entwicklung zusätzliche Flexibilität, sondern auch ein verringertes Risiko. Zudem sichert sie auch die langfristige Betreuung des Produkts über den gesamten Lebenszyklus.

Bildergalerie

  • Um komplexe Produkte zu kundenspezifischen Lösungen zu entwickeln, ist die Nutzung vorhandenen Know-hows notwendig.

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  • Ein Embedded-System besteht aus vielen komplexen Komponenten sowie einem angepassten Betriebssystem.

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  • Mittels Design & Manufacturing Services lassen sich auch spezielle Kundenanforderung nach Maß anfertigen.

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