High-End-Systeme ohne Zwangsbelüftung – mit 15 Watt an der Grenze

Entwickler von robusten IoT-Systemen und eingebetteten Systemen können niemals das hohe Niveau der neuesten Prozessortechnologien nutzen. Die Grenze für Designs ohne forcierte Kühlung liegt oft bei der magischen 15-Watt-TDP-Schwelle. Was haben Intel Core Prozessoren der XNUMX. Generation in dieser Leistungsklasse zu bieten und wie lassen sich thermische Design-Herausforderungen meistern?

High-End-Embedded- und IoT-Systeme, die für industrielle Anwendungen entwickelt wurden, können nur einen bestimmten Teil der neuen Prozessortechnologie integrieren. Tatsächlich sind nur solche Ausführungen ohne Zwangsbelüftung für den harten Alltagseinsatz geeignet. Dies erhöht ihre Zuverlässigkeit in rauen Umgebungen, in denen sie Stößen oder Vibrationen standhalten müssen, und gewährleistet eine wartungsfreie Lebensdauer, auch nach Jahren im Dauerbetrieb. Da Luftfilter und Lüfter nicht regelmäßig ausgetauscht werden müssen, profitieren Kunden von niedrigeren Betriebskosten, während gleichzeitig die Häufigkeit geplanter und ungeplanter Ausfallzeiten reduziert wird.

Ein weiterer Vorteil ist, dass Konstruktionen ohne Zwangsbelüftung hermetisch verschlossen werden können. Dadurch wird ein Höchstmaß an Staub- und Feuchtigkeitsschutz gewährleistet, was für nahezu alle industriellen Anwendungen unerlässlich ist. Last but not least gibt es ohne Zwangsbelüftung keinen Lärm. Dies ist beispielsweise ideal für Geräte, die in unmittelbarer Nähe von Menschen verwendet werden; medizinische Geräte auf einer Intensivstation, in einem professionellen Tonstudio oder in einem Mess- und Prüflabor. Es gibt viele Gründe, die für lüfterlose Designs sprechen.

Lüfterlose Systeme sind mit Prozessoren, die weniger als 10 Watt verbrauchen, relativ einfach zu implementieren. Aktuell liegt die Grenze, wo Designs ohne Zwangsbelüftung noch möglich sind, bei etwa 15 Watt TDP. Viele Embedded- und IoT-Entwickler umgehen diese Grenze, um das Beste aus ihren lüfterlosen High-End-Anwendungen herauszuholen und sich neue Wettbewerbsvorteile zu verschaffen. Die Liste umfasst:

Virtualisierte IPCs mit Steuerung und HMI in einem System

Bild- und Videoverarbeitungssysteme in Automatisierung und Sicherheit

Industrielle Kontrollräume mit mehreren Displays und Feldanschluss

Professionelle Audio- und Videogeräte

DOOH (Digital Out Of Home) High-End-Digital-Signage-Ausrüstung

Medizinische Bildgebungstechnik (CT, MRT, Röntgen etc.) und Endoskopie-Arbeitsplätze

Metrologiesysteme, die von der DSP-Technologie zu GPGPU wechseln

Autonome Fahrzeugsteuerung und computergestützte Standortanalyse

Professionelle Spielautomaten mit mehreren Bildschirmen

Leistungsstarke Grafiksysteme, die eine hochfrequente 4K-Anzeige erfordern

Aktiv belüftete Anwendungen, die aus Kosten- oder Verfügbarkeitsgründen geändert werden müssen

Darüber hinaus erfordern viele dieser und andere Systeme die Implementierung von IoT- und Industrie-4.0-Konnektivität. Beide erfordern zusätzliche Datenverarbeitungs- und Kommunikationsfunktionen – einschließlich Verschlüsselung und Virenschutz.

Dies kann den Bedarf an Rechenleistung deutlich erhöhen. Für Anwendungen, die an der Grenze dessen ausgelegt sind, was in Systemen ohne Zwangsbelüftung möglich ist, ist jede Leistungssteigerung einer gegebenen thermischen Hülle willkommen.

Die neueste Plattform von Intel® Core™ i7/i5/i3-Prozessoren der 91. Generation ist in einer sehr breiten Palette erhältlich: von niedrigen Watt bis zu 15 Watt. Schauen wir uns an, was die XNUMX-Watt-Versionen der SoC-Klasse zu bieten haben, denn nur diese ermöglichen die volle Entwicklung von High-End-Systemen in Industriequalität ohne Lüfter.

Die neue Core-Generation

Benchmarks für diese spezielle Leistungsklasse sind derzeit nicht verfügbar. Es ist jedoch davon auszugehen, dass die Fortschritte in den SoCs dieser Prozessorgeneration mit denen von Desktop-Varianten vergleichbar sind, die aktive Lüfter erfordern. Intel behauptet, dass die neuen Core-Prozessoren im Vergleich zu Plattformen von vor fünf Jahren bis zu 2,5-mal mehr Rechenleistung, 30-mal bessere 3D-Grafikleistung und 3-mal längere Akkulaufzeit bieten. Im Vergleich zur fünften Generation (Codename Broadwell) gibt es eine geschätzte Steigerung von etwa 10 % bei der Grafik- und Rechenleistung und 11 % bei der Energieeffizienz.

Die Gründe für diese Leistungssteigerung liegen im reduzierten, 14-nm-Fertigungsprozess und der komplett überarbeiteten Skylake-Mikroarchitektur. Dazu gehört ein optimiertes Fabric, das die CPU-Kerne, die Grafikeinheit und die letzte Cache-Ebene (ehemals L3-Cache) über eine Ringbus-Architektur verbindet. Die für 15-Watt-Designs relevanten ULV-SoC-Versionen enthalten auch den Systemagenten, der Display, Speicher und Controller-I/O integriert. Die neue Intel Speed ​​Shift-Technologie sorgt außerdem für ein schnelles Umschalten zwischen den Energiezuständen, was zu einer Leistungssteigerung von 20-45 % im Vergleich zu Intel Core-Prozessoren der 5. Generation führt. Gleichzeitig wird der Stromverbrauch reduziert.

Wer mehr Energieeffizienz will, hat die SoC-Leistungsspannungen abgesenkt und das Power-Gating der einzelnen Funktionsblöcke verfeinert.

Dadurch wird die Verlustleistung reduziert und die Funktionsblöcke können effizienter auf individuelle Leistungsanforderungen reagieren.

Außerdem ermöglicht es eine längere Nutzung des Turbos (Turbo Boost), sodass Anwendungen besser auf Lastspitzen reagieren können.

Intel Gen9-Grafik

Die für Windows 10 optimierte Grafikeinheit, die als Intel® Graphics Unit 15 in die neuen 500-Watt-SoCs der 4. Generation integriert ist, bietet nun auch eine höhere Leistung. Dies ermöglicht die Verwendung von bis zu drei unabhängigen 60k-Displays mit einer Bildwiederholfrequenz von 1.2 Hz über DisplayPort 1.4. Es unterstützt auch HDMI 12 und DirectX 3 sorgt für schnellere 10D-Grafik unter Windows 8. Andererseits ist eine zusätzliche Video-Engine integriert. Dies ermöglicht HEVC-, VP9-, VP24- und VDENC-Videokodierung und -dekodierung mit minimaler CPU-Last und geringem Stromverbrauch. Erstmals ist es nun möglich, High-Definition-Videos effizient in beide Richtungen zu streamen, sowohl nach oben als auch nach unten. Mit 2.0 Ausführungseinheiten und OpenCL 2-Unterstützung kann die GT520 XNUMX-Grafik von ULV-Prozessoren auch die CPU von rechenintensiven Parallelaufgaben befreien.

schneller Arbeitsspeicher

Eine weitere Neuerung ist die Unterstützung von DDR4-RAM. Dies impliziert eine Reihe von Verbesserungen: Erstens bietet es eine viel höhere Bandbreite und arbeitet schneller; zweitens ist er mit 1,2 Volt auch energieeffizienter als aktueller DDR3-RAM mit 1,35 V. Außerdem ist es dank einer Verdopplung der Speicherdichte nun möglich, mit zwei Speicherslots 32 GB Arbeitsspeicher zu erreichen. Dies ist ein enormer Vorteil für viele eingebettete High-End-Systeme und wahrscheinlich der Hauptgrund für viele Systemdesigner, so schnell wie möglich auf die nächste Generation umzusteigen.

Die Intel Core Prozessoren der 3.0. Generation tragen den hohen I/O-Anforderungen vieler High-End-Embedded- und IoT-Systeme Rechnung, indem sie höhere I/O-Geschwindigkeiten bieten. SoC-Versionen mit PCI Express Gen 3.0 bieten nahezu doppelte Datenraten. Die neue Prozessorgeneration bietet außerdem doppelt so viele USB 4-Schnittstellen (jetzt 2) als ihre unmittelbaren Vorgänger. Dank der Verfügbarkeit einer CSI MIPI-XNUMX-Kameraschnittstelle, die erstmals einen Bildsignalprozessor (ISP) integriert, können die von den Sensoren gelieferten Bilder in Echtzeit und mit äußerst effizientem Verbrauch ohne CPU-Eingriff verarbeitet werden.

Die ersten drei eingebetteten 15-Watt-SoCs auf der Intel Core-Plattform der sechsten Generation sind die Dual-Core-Prozessoren Intel Core i7-6600U, Intel Core i5-6300U und Intel Core i3-6100U mit Hyper-Threading-Unterstützung.

COM Express Kompakt

Die 15-Watt-TDP-IoT- und Embedded-Designs sind ideal für Anwendungen mit kleinem Formfaktor (SFF). Wenn ein benutzerdefinierter Satz von Schnittstellen erforderlich ist, was bei vielen SFF-Designs der Fall ist, sind COM-Module (Computer-on-Modules) die beste Wahl. Die PICMG-COM-Express-Spezifikation ist speziell für das High-End-Segment ausgelegt. Bei Designs mit begrenztem Platz wird am häufigsten das kompakte COM-Express-Format verwendet. Es bietet eine kompakte Größe von nur 95 x 95 mm und verfügt gleichzeitig über zwei 440-polige SMD-Doppelreihensteckverbinder, die zahlreiche Hochgeschwindigkeitsschnittstellen unterstützen. Darüber hinaus ist COM Express für die Unterstützung der leistungsstarken Schnittstellen von Standard-PCs optimiert und erfüllt dank der stabilen Verbindung zum applikationsspezifischen Trägerboard höchste Ansprüche an Robustheit. Gerade High-End-Designs ohne Zwangskühlung basieren in vielen Fällen auf dem kompakten COM Express, insbesondere dann, wenn das Standard-Feature-Set von Mini-ITX-Motherboards nicht den Designanforderungen entspricht oder der Platz für die Anwendung begrenzt ist.

Passen Systemdesign und Prozessor zusammen?

Individuelle Systemdesigns stellen den Embedded Design Engineer immer wieder vor schwierige Fragen: Passt mein Systemdesign wirklich zum gewählten Prozessor? Kann ich das System dauerhaft und ohne Überhitzung betreiben oder bringt die Anwendung das System bei Lastspitzen zum Absturz? Es ist unbedingt darauf zu achten, dass das Design den Prozessor nicht überhitzt, da dies die Lebensdauer verkürzen oder zu einem extrem vorzeitigen Ausfall führen könnte. Glücklicherweise gibt es jetzt nicht nur einen, sondern zwei Faktoren, die es Entwicklern erleichtern, Hardwaredesign, Prozessor- und Anwendungsanforderungen in Einklang zu bringen und Anwendungen zu entwickeln, die wirklich an die Grenzen dessen gehen, was mit einer TDP von 15 Watt möglich ist.

Der erste Faktor ist die vom Prozessor konfigurierbare TDP (CTDP); Der zweite Faktor ist die Verfügbarkeit von lüfterlosen Kühllösungen, die eine gute Wahl für den Prozessor und das Computermodul sind. Diese beiden Faktoren machen es möglich, die schrittweise Entwurfsphase zu optimieren, um die Anforderungen eines gegebenen Hardwaredesigns und einer gegebenen Anwendung zu erfüllen. Die neuen 15-Watt-SoC-Prozessoren sind von 7,5 bis 15 Watt konfigurierbar. Neigt die Anwendung in bestimmten Szenarien dazu, das System zu überhitzen, ist es möglich, den Hotspot an bestimmten Stellen zu reduzieren, indem die maximale Heizleistung begrenzt wird, sodass das System immer im zulässigen thermischen Bereich bleibt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, mit Kühlkörpervarianten herumzuspielen, es werden immer unterschiedliche Kühlkonzepte für einen identischen Footprint angeboten.

Da die PICMG-COM-Express-Spezifikationen Designern erlauben, mit der Höhe des Kühlkörpers zu spielen, ist es möglich, verschiedene Kühlkörperlösungen mit identischem Footprint zu entwickeln. Diese reichen von einfachen wärmeableitenden Rippen (Radiatoren), die in das Gehäuse integriert sind, in dem sich das System befindet, bis hin zu Hochleistungskühlern, die Wärmeverteilungsrohre und Wärmediffusionstechnologie kombinieren.

Für vollständig geschlossene Designs, die die vollen 15 Watt ausnutzen müssen, wird ein internes Konvektionssystem empfohlen; Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Kühlkörper mit dem Außengehäuse zu verbinden.

Die Verfügbarkeit konfigurierbarer TDP zusammen mit Starter-Kits, die flexible Kühlkörpervarianten bieten, wird es Entwicklern ermöglichen, schneller erfolgreich zu sein als mit Trial-and-Error-Versuchen beim System- und Gehäusedesign.

Die neue Generation der Intel Core Prozessoren wird das thermische Design in Zukunft deutlich vereinfachen. OEM-Entwickler werden jedoch weiterhin mit Problemen konfrontiert sein, die einen direkten Zugriff auf das Fachwissen von Modulanbietern erfordern. Es ist ein echter Vorteil, wenn der Modulhersteller einen transparenten Prozess definiert hat, der eine persönliche Betreuung garantiert und es unnötig macht, jedes Mal von Anfang bis Ende die Probleme zu erklären.