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Mit der neuesten Intel-Core-Generation lassen sich neue Wege am Embedded-Markt beschreiten. Wie, erfahren Sie im Folgenden.

Bild: iStock, Heiko119

Neue CPUs für COM-HPC und COM Express Warum die 11. Generation der Intel-Core-Prozessoren den Markt erobern wird

04.11.2020

Parallel zum Intel-Launch hat Congatec die 11. Intel-Core-Prozessorgeneration, Codename „Tiger Lake“, auf COM-HPC-Size-A- und COM-Express-Compact-Computer-on-Modules verfügbar gemacht. Hier die wichtigsten Gründe, warum OEMs auf Module mit Prozessoren der 11. Intel-Core-Prozessorgeneration setzen sollten.

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Der erste und vielleicht wichtigste Grund, auf die Low-Power High-Density-Prozessoren der 11. Intel-Core-Prozessorgeneration zu setzen, ist die Tatsache, dass Endkunden immer das Neueste haben wollen. Selbst wenn sie die Verbesserungen im Grunde gar nicht voll ausnutzen können, wollen sie dennoch sicher sein, das Beste am Markt verfügbare ausgewählt zu haben.

Aus diesem Grund ist es für OEMs oftmals kaum mehr möglich, einen Launch auszulassen, um so NRE-Kosten zu sparen und den ROI zu erhöhen. Taucht nämlich ein Wettbewerber auf, der die Vorteile des neuen Prozessors ausspielen will, kann dies beim Kunden schnell zu einer Fehleinschätzung der eigenen Innovationskraft führen.

Die Prozessorperformance ist gestiegen

Der zweite Grund ist der enorme Performanceschub. Die bis zu vier Cores der 11. Intel-Core-UP3-Prozessorgeneration bringen dem Embedded-Markt nämlich bis zu 23 Prozent mehr Single-Thread-Performance und bis zu 19 Prozent mehr Multi-Thread-Performance im Vergleich zur Prozessoren der 8. Intel-Core-Generation.

Ein für Embedded-Applikationen entscheidender Punkt ist die Tatsache, dass nun erstmals High-Speed-Intel-SoCs mit Intels SuperFin-Technologie verfügbar werden, zu der neben der höheren Packungsdichte ein geringerer Stromverbrauch bei gleicher Performance beziehungsweise eine höhere Performance bei gegebener TDP gehört.

An weiteren performanceverbessernden Maßnahmen hat Intel zudem einen L1-Cache neu eingeführt. Er senkt beim Datenzugriff die Latenz signifikant und reduziert die Beanspruchung des L2-Caches, der von 256 KB pro Core auf 1,25 MB anwuchs, und des L3-Caches, der mit nun 12 MB 50 Prozent mehr Kapazität aufweist und Speicherzugriffe auf den mit der GPU geteilten Arbeitsspeicher deutlich beschleunigt, was uns zur GPU bringt, die der dritte gute Grund für die neuen Intel SoCs darstellt.

Die Grafikleistung beeindruckt

Mit der 11. Generation der Intel-Core-Prozessoren feiert auch die neue Intel Graphics Premiere. Auch hier hat sich einiges getan.

So profitiert die GPU-Architektur, die Intel Iris Xe Graphics nennt, ebenfalls vom 10-nm++-Fertigungsprozess. Dadurch bietet die Intel Iris Xe Graphics je nach Prozessor nun zwischen 48 bis 96 Execution Units. Entwickler profitieren von einer rund dreimal höheren Grafikleistung im Vergleich zu der 8. Generation der Intel-Core-Embedded-Prozessoren.

Damit können Intel-Iris Xe-Plattformen nun bis zu vier 4K-Displays mit 12 Bit Farbtiefe gleichzeitig mit Videosignalen versorgen. Bei 8K-Auflösung sind es immerhin noch zwei Displays, die parallel gesteuert werden können.

PCI Express der vierten Generation gibt Gas

Die 11. Generation liefert die ersten Embedded-x86-Prozessoren mit nativem PCIe-Gen-4.0-Support. Sie bietet über vier Lanes die gleiche Datenrate wie acht PCIe-Gen-3.0-Lanes, die über den Plattform-Controller-Hub für die Anbindung weiterer Peripherie ebenfalls zur Verfügung stehen. Mit PCIe Gen 4.0 können pro Lane und Richtung 2.048 MB/s übertragen werden. Da PCIe vollduplexfähig ist, können insgesamt also 4.096 MB/s übertragen werden, wenn man den Hin- und Rückkanal addiert.

Der neue Konnektor für COM-HPC ist speziell auf die Compliance-Anforderungen dieser neuesten High-Speed-Schnittstellen ausgelegt und sogar schon für PCIe Gen 5.0 mit 32 GHz zertifiziert. Für COM Express hat Congatec seine Module bereits mit einem Next-Gen-COM-Express-Konnektor bestückt, der mechanisch voll kompatibel, aber elektronisch leistungsfähiger ist. Er soll die Langzeitverfügbarkeit von COM Express auch für die Zukunft sichern. Wie leistungsfähig er ist, wird nach ausführlichen Tests veröffentlicht.

USB4 für Highspeed-Plug-&-Play

Neben PCIe Gen 4.0 stellen die Tiger-Lake-Prozessoren noch eine weitere, höchst innovative und leistungsfähige Schnittstelle zur Verfügung, die ebenfalls ein sehr guter Grund für die Wahl der 11. Generation der Intel-Prozessoren ist: USB4. Diese neue Schnittstelle baut auf dem Thunderbolt-4-Protokoll von Intel auf. Somit ist es auch nicht verwunderlich, dass Intel von CPU-integriertem Thunderbolt mit Support für USB4 spricht.

Insgesamt unterstützen die Prozessoren bis zu viermal Thunderbolt 4 für die USB4-Integration. Jeder Thunderbolt-Port stellt jeweils vier PCIe-Gen-3.0-Lanes mit einer Datenrate von 32 Gbit/s beziehungsweise 4.096 MB/s in jede Richtung zur Verfügung. Zudem können zwei dieser Ports DisplayPort-Signale tunneln für einmal 8K oder viermal 4K-Videosignale bei 10 Bit Farbtiefe und 60 Hz Bildwiederholrate.

In Hardware gegossener Virtualisierungssupport

Multitasking in Echtzeit ist eine wichtige Anforderung an IoT- und Edge-Devices. Hier unterstützt die 11. Generation hardwarebasierten Virtualisierungs-Support, was für Echtzeit-Hypervisor-Technologien eine attraktive Ergänzung ist. Dieser kann dabei direkt auf die Hardwarefunktionen der neuen Prozessoren aufsetzen, um kritische Echtzeitapplikationen – ohne irgendeine zusätzliche Latenz parallel zu anderen Multi-Purpose-Betriebssystemen wie Linux und Windows – zu betreiben.

Die Intel-Virtualization-Technology der 11. Intel-Core-Prozessorgeneration unterstützt hierzu beispielsweise SR-IOV (Single Root I/O Virtualization). Damit können mehrere Apps, die in virtuellen Maschinen mit General-Purpose-Betriebssystemen (GPOS) gehostet werden, nativ auf eine I/O-Schnittstelle, wie zum Beispiel einer der 2,5-Gbit/s-Ethernet-Schnittstellen zugreifen, was eine durchaus attraktive Funktion ist, da diese Schnittstelle ja nicht beliebig oft verfügbar ist.

Maschinelles Sehen und Künstliche Intelligenz

Maschinelles Sehen und Verstehen wird mit der Verfügbarkeit der neuen Intel-Core-Architektur nochmals schneller, effizienter und einfacher umsetzbar. Schneller schon alleine wegen der deutlich gestiegenen Anzahl an Execution Units der Grafik.

KI und Deep-Learning-Inferencing werden aber auch auf den CPU-Kernen der 11. Generation deutlich beschleunigt. So unterstützen die Intel-Core-Prozessoren der 11. Generation den hocheffizienten AVX-512-Befehlssatz für leistungsfähige Vektor-Operationen mit 512 Bit Breite. Hinzu kommt nun noch der Support für die Vector Neural Network Instructions (VNNI), die mit VPDPBUSD/S für INT8 und VPDPWSSD/S für INT16 vier neue Instruktionen für AVX 512 beinhalten. Ein effizienter Weg für erste Versuche mit Computervision und OpenVino ist das Workload-Consolidation-Kit für visionbasierte Situational-Awareness-Applikationen.

Sicher ist sicher

IIoT-angebundene Edge-Devices sind ohne wirksame Sicherheitsfeatures nicht komplett. Ideal ist es, wenn das Fundament schon direkt in der Hardware verankert ist. Die drei wichtigsten wirklich neuen, hardwarebasierten Sicherheitsmaßnahmen sind Total Memory Encryption (TME), Control Flow Enforcement (CET) und Key Locker.

Total Memory Encryption (TME): TME nutzt eine hardwarebasierte, besonders sichere AES XTS Encryption Engine, die im direkten Datenpfad zwischen Prozessor und externen Speicherbussen liegt. Damit kann sie alle eingehenden und ausgehenden Daten zum System-on-Chip – also auch in Bezug auf die Grafikeinheit – on-the-fly mit einem 128-Bit-Schlüssel ent- und verschlüsseln.

Control Flow Enforcement (CET): CET erkennt und verhindert Datenabfluss durch bösartigen Codeablauf. Zudem erkennt und verhindert CET auch bösartige indirekte Sprungaufrufe oder sprungorientierte Programmierung in der ausgeführten Software. Dadurch wird die Ausführung von schädlichem Code verhindert, der beispielsweise über manipulierte Emails auf dem Rechner landet.

Key Locker: Dieser hardwarebasierter Micro-Handler schützt Verschlüsselungs-Keys über den neuen AES-NI-Befehl „ENCODEKEY“ und bietet eine gegenüber bislang verfügbaren Technologien beschleunigte Ver- und Entschlüsselung. Erst mit dem Key-Locker und Anwendungsschlüssel können Daten decodiert werden.

Managementsystem für verteilte Applikationen

Der vorerst letzte Grund für die neue 11. Generation sind noch komfortablere Remote-Management-Funktionen, die mit dem Launch der neuen Congatec-Module verfügbar werden. Congatec bietet hierzu eigene APIs und einen auf dem Carrierboard integrierbaren Board-Management-Controller an. Ergänzt wird diese Funktionalität durch Intel-vPro-integrierte Funktionen wie die Active-Management-Technologie. Sie ermöglicht ein durchgehendes, vom Betriebssystem unabhängiges Out-of-Band-Management.

Im Zuge der COM-HPC-Launches wird zudem auf Basis der PICMG-Spezifikationen ein erweitertes Remote-Management-Interface verfügbar. Dieses Interface wird gerade im PICMG-Remote-Management-Subkomitee erarbeitet. Es verfolgt das Ziel, einen reduzierten Teil des komplexen Intelligent-Plattform-Management-Interface-Funktionssatzes (IPMI) für das Remote-Management von Edge-Server-Modulen verfügbar zu machen.

Bildergalerie

  • Auch bei Computer-on-Modules gilt der Grundsatz: Das Neueste ist immer das Beste.

    Bild: Congatec

  • Die Interfaces von COM-HPC-Clients unterscheiden sich gegenüber COM Express Type 6 hauptsächlich durch Anzahl und Bandbreite der PCIe-Lanes, der Ethernet-Schnittstellen und USB-Ports sowie den noch zu spezifizierenden erweiterten Remote-Management-Support.

    Bild: Congatec

  • COM- und Carrier-Designs bieten gegenüber Full-Custom-Designs zahlreiche Vorteile. Bei neuen Prozessorlaunches wie der 11. Intel-Core-Prozessorgeneration bieten sie vor allem eine besonders kurze Time-to-Market.

    Bild: Congatec

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