IB899 - Mit x86-SoC als Triebwerk

Zum Thema

System-on-a-Chip (SoC) auf Basis der verbreiteten x86-Architektur vereinen CPU, GPU und I/O-Controller in einem kompakten Modul. Sie bilden die Grundlage für fortschrittliche Embedded-Computer, die für industrielle und semi-industrielle Anwendungen klare Vorteile liefern.

Downloads

Viele industrielle Anwendungen, zum Beispiel in der Automatisierungstechnik oder bei Mensch-Maschine-Schnittstellen (Human Machine Interfaces, HMI) sowie semi-industrielle Applikationen in der Medizin- und Messtechnik oder im Transportwesen benötigen viel Rechenleistung auf engstem Raum. Für Kühlmaßnahmen ist meist wenig Platz. Gleichzeitig müssen einige Applikationen in einem Temperaturbereich von typisch 0 bis +60 °C anstandslos funktionieren.

Hier sind robuste, leistungsstarke und energieeffiziente Embedded-Computer mit kompakten Bauformen gefragt. Single-Board-Computer (SBC) wie der »IB899« von iBase (Vertrieb: Fortec Elektronik) meistern diesen Spagat. Der SBC hat inklusive aller Steckplätze die Größe einer herkömmlichen 3,5-Zoll-Festplatte, sein industrielles Embedded-Mainboard ist 102 mm × 147 mm groß.

Auf einer Fläche von 25 mm × 27 mm vereint sein SoC-Modul Haupt- und Grafikprozessor sowie Chipsatz – und damit bereits einen Großteil der Funktionen der x86- Architektur. Möglich macht dies die Fertigung in 14-nm-Prozesstechnik – ein Meilenstein. Andere Hersteller im Embedded-Bereich verwenden oft noch CPUs mit 28-nm-Technik, was den Footprint der Module deutlich vergrößert.

Die iBase-Plattform IB899 ist derzeit in zwei Varianten verfügbar: als »IB899-370« mit Intels »Pentium N3700«-Prozessor mit mehr Rechenleistung und als »IB899-300« mit sparsamem »Celeron N3000«. Der Pentium taktet seine vier Kerne mit 1,6 GHz bis 2,4 GHz und nimmt typisch 4 W auf, seine maximale Verlustleistung (Thermal Design Power, TDP) liegt bei 6 W. Der Celeron hat zwei Kerne, taktet mit bis zu 2,08 GHz und nimmt maximal 4 W auf. Die Energie speist eine Stromversorgung mit einem Spannungsbereich von 12 V bis 24 V ein. Der integrierte I/O-Controller unterstützt alle wichtigen Schnittstellen, zum Beispiel SATA, mSATA sowie 2 × USB 2.0 und 4 ×
USB 3.0, 2 × Gigabit-LAN, 1 × RS232 und 1 × RS-232/422/485. Zwei Mini-PCIe-Expansion-
Slots nehmen eine Full-Size- und eine Half-Size-Erweiterungskarte auf. Somit sind die SBCs recht flexibel für unterschiedlichste Applikationen nutzbar.

Beide Varianten nutzen Intels integrierte Grafikeinheit »HD Graphics 4000«. Diese liefert eine Performance, die vielleicht nicht für die neusten 3D-Spiele reicht, aber für anspruchsvolle Grafikanwendungen im industriellen Bereich ausreicht. Dazu zählen grafikintensive Anwendungen wie HMI, bildgebende Verfahren in der Medizintechnik oder auch POS- (Point of Sales) und Kiosk-Applikationen. Als Schnittstellen stehen DVI-D, CRT und 24-bit-Dual-Channel-LVDS zur Verfügung, sodass sich auch hochauflösende Displays und Monitore ansteuern lassen.

Passive Kühlung für ein langes Leben
Die recht geringe Leistungsaufnahme der SoCs liefert wichtige Design-Vorteile für das Gesamtsystem: Durch die niedrige Wärmeentwicklung der IB899-basierten Mainboards sind aktive Kühlmaßnahmen nicht nötig, sondern passive Kühllösungen reichen aus. Ohne Lüfter ist ein Embedded System nicht nur leiser, sondern auch zuverlässiger. Um effizient zu kühlen, platziert iBase den Hauptprozessor – der in der Regel die meiste Wärme erzeugt – auf die Rückseite des Boards. So lässt er sich bei entsprechendem Design direkt oder per Heatspreader mit dem Gehäuse verbinden und seine Wärme gut abführen. Alternativ kann auch ein Kühlkörper aufgesetzt werden.

Auf Projektbasis ist es möglich, auch andere Prozessoren der Atom-Familie mit diesem Board zu bekommen und so mit wenig Aufwand unterschiedliche Leistungsstufen vom Basismodell bis zur Hochleistungsvariante zu realisieren. Auch Steckverbindungen können an gleicher Stelle verbleiben, um innerhalb der Board-Familie, aber auch über Board-Generationen hinweg, eine gute kompatibilität und damit Austauschbarkeit zu gewährleisten. Dies erleichtert das EOL-Management (End of Life) für die Baugruppen erheblich.

Nach dem Launch der Intel-Prozessoren in 2015 sind diese in der Regel sieben Jahre erhältlich – was auch die Verfügbarkeit der Mainboards über einen langen Zeitraum sicherstellt. Dies ist gerade im (semi-)industriellen Umfeld überaus wichtig, da Investitionsgüter hier deutlich länger im Gebrauch sind als beispielsweise im Consumer Markt. Ein einheitliches Board-Layout bietet zudem die Möglichkeit, bei Bedarf noch innerhalb des Produktlebenszyklus eines Mainboards auf eine leistungsfähigere Variante zu wechseln. Wichtig bei schlanken Single-Board-Computern wie dem IB899 ist, dass trotz der Miniaturisierung von Komponenten und Modulen der kompakte Formfaktor nicht zulasten der Leistungsfähigkeit der Industrie-Mainboards geht. Die Lösung für dieses Problem haben die Intel-basierten SoCs gleich mit eingebaut: Sie passen ihre Taktfrequenz dynamisch der von der Applikation geforderten Rechenlast an. Dadurch optimiert sich die Kombination von Energieeffizienz und Performance über einen weiten Anwendungsbereich. So komplettieren die Pentium- und Leistungsspektrum zwischen Atom-gestützten Modulen und der im oberen Preissegment angesiedelten Technologie-Plattform »Core i«.

Entwickler können die Boards zudem mit modernen mSATA-Modulen bestücken. Diese sorgen nicht nur für hohe Geschwindigkeiten bei Schreib- und Leseoperationen, sondern tragen entscheidend zur Unempfindlichkeit des Gesamtsystems in rauen Umgebungen bei.

Die x86-Architektur stellt Entwicklern eine Plattform bereit, um die sich ein weit entwickeltes Ökosystem gesponnen hat, zu dem auch standardisierte und angepasste Software, Betriebssysteme und Entwicklungssysteme gehören. So bietet der Spezialdistributor Fortec neben Standardbetriebssystemen auch kundespezifische Windows-Versionen mit bereits fertig installierter Anwendungssoftware an. Kunden brauchen die schlüsselfertige Lösung nur noch einschalten und können sie sofort nutzen.

Design & Elektronik 02/2016