03.09.2014

Bay-Trail bringt mehr Rechenpower und mehr Grafikleistung

Intels neue Atom-Prozessoren für industrielle Anwendungen

Mit den Bay-Trail-Prozessoren hat Intel seine Atom-Prozessoren-Reihe auf ein neues Leistungsniveau gehoben. Die erhöhte Rechenpower kommt den wachsenden Ansprüchen in der Automatisierungstechnik zugute. Andreas Thome, Produktmanager PC-Control, Beckhoff Automation, stellt in diesem Artikel die Bay-Trail-Familie vor und erklärt, was die neuen CPUs für Features mit sich bringen. Darüber hinaus erläutert er den Einsatz der Prozessoren in der neuen CX5100-Embedded-PC-Reihe von Beckhoff.

Autor: Dipl.-Ing. Andreas Thome, Beckhoff Automation GmbH & Co. KG.


Bild 1: Die Einordnung der CX5100-Geräte in den Bereich zwischen CX9020 (ARM Cortex A8 1 GHz) und CX2000 (Core-i7-Prozessoren der zweiten Generation) erfolgt hauptsächlich auf Basis der Einzelkernbetrachtung der CPUs.
Bild: Beckhoff Automation GmbH

Intel unterteilt die Bay-Trail-Familie in drei Kategorien und benennt sie intern jeweils mit einer Buchstabenendung, die auch auf das Zielsegment schließen lassen: BayTrail-D, BayTrail-M und BayTrail-I. Diese inoffizielle Kategorisierung hat sich im Internet verbreitet, die offiziellen Bezeichnungen dieser CPUs sind Kombinationen aus einem Buchstaben und vier Ziffern, z.B. E38xx für die '-I'-Typen. Während die ersten beiden Kategorien eher für kleine Rechnereinheiten und mobile Geräte gedacht sind, kommt für die industrielle Anwendung nur die dritte Kategorie mit der Endung '-I' in Frage: Hierbei handelt es sich um Prozessoren mit einer höheren zulässigen Maximaltemperatur (Tj), wobei die Endung '-I' seitens Intel mittlerweile auch als 'Intelligent Systems' verstanden wird.

Neue Einsatzarten durch Bay Trail in der Automatisierung

Die neue Atom-Generation kommt als SoC (System-on-Chip) daher, das heißt, es sind keine weiteren Systemchips wie z.B. Plattform-Controller-Hubs oder North-/South-Bridges nötig, um ein PC-System aufzubauen. Dadurch wird erheblich weniger Platinenfläche belegt, Komplettsysteme können dadurch deutlich kleiner bauen. In Verbindung mit den geringen Verlustleistungen von etwa 5W beim Single-Core-, 8W beim Dual-Core- oder 10W beim Quad-Core-Atom-Prozessor können somit sehr kompakte und lüfterlos gekühlte Geräte entworfen werden. Gäbe es einen Benchmarkwert in CPU-Leistung pro Quadratzentimeter Schaltschrankplatz, würde diese CPU sicherlich einen der vorderen Plätze belegen. Die gute Grafikfähigkeit beflügelt auch den Einsatz in Kombination mit Display- und Touch-Technologie. Darauf basierende Panel-PCs sind nicht nur für den Einsatz in der Automatisierung geeignet, sondern auch überall, wo Multimedia-Fähigkeiten gefragt sind (Kiosk, PoS, Digital Signage...). Die Automatisierungslösungen auf Basis der Bay-Trail-Architektur profitieren von der Tatsache, dass ein Multicore-fähiges Programm jetzt auch auf Steuerungen der mittleren Leistungsklasse ablaufen kann, ohne dass Umstellungen in der Programmstruktur nötig wären.

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Einfluss auf die PC-basierte Steuerungstechnik

Das sehr gute Preis-Leistungs-Verhältnis der Bay-Trail-CPU-Reihe hat zur Folge, dass diese Prozessorfamilie ein sehr breites Anwendungsfeld in der industriellen Steuerungswelt abdecken kann. Da sie zudem in sich skalierbar ist (man kann ein, zwei oder vier Prozessorkerne verwenden), sind sie für die Steuerung von Maschinen und Anlagen verschiedener Komplexitätsstufen geeignet. Außerhalb dieser Bandbreite sind die ARM-basierten Steuerungen für kleinere Aufgaben und im High-End-Bereich die Intel-Core-i-Prozessoren für hohe Leistungen und sehr große Anlagen positioniert. Bay-Trail bringt alle Voraussetzungen mit, um ein wahres 'Arbeitspferd' im industriellen Steuerungsumfeld zu werden.

1. Einordnung der Rechenleistung im Vergleich zu anderen Plattformen (ARM, Atom, i-Cores)

Für eine Einordnung der Leistungsfähigkeit der CPUs ist im Bereich der Automatisierungstechnik vor allem eine Einzelkernbetrachtung der CPUs sinnvoll. Bei Beckhoff Automation wurden dazu sowohl Benchmarks nach dem PLCopen-Standard als auch typische SPS-Einzelbefehle mit wechselnden Operandentypen durchgeführt. Als Ergebnis zeigt die Grafik die auf einen ARM9 266MHz (CX9001) normierte Ausführungsgeschwindigkeit für einen CPU-Kern. Die ausgegrauten CPUs entsprechen der ersten Generation und sind der Vollständigkeit halber aufgeführt. Die Bewertung der Tatsache, dass die neuen Atom-Prozessoren auch mit zwei oder vier Kernen zum Einsatz kommen, ist unter dem Gesichtspunkt der Ausführungsgeschwindigkeit schwieriger, da dieses von der Art der Aufteilung einer Aufgabe auf die zur Verfügung stehenden CPU-Kerne abhängt (generell kann aber sowohl das Betriebssystem als auch die Beckhoff Automatisierungssoftware Twincat ab der Version 3 das Vorhandensein mehrerer CPU-Kerne nutzen und die Aufgaben darauf verteilen). Ebenfalls gut aufgestellt sind die neuen Bay-Trail-Prozessoren in puncto Grafik: Intel hat sich der Grafikeinheit aus den 'großen' Core-i-Prozessortypen der dritten Generation bedient und verschafft den Atom-Prozessoren damit eine solide Basis für grafiklastige Anwendungen. Intel spricht hier von einer Grafikhardware der siebten Generation und verabschiedet sich damit von den PowerVR-Grafikeinheiten der älteren Atom-Modelle.

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Aussichten

Intel hat angekündigt, die Atom-CPU-Baureihe mit hohem Innovationstempo weiterzuentwickeln und hierbei nicht unbedingt dem sonst üblichen Tick-Tock-Modell der 'großen' CPU-Welt zu folgen. Die nächste Generation mit dem internen Codenamen 'Cherry Trail' soll Anfang nächsten Jahres erscheinen, von 22nm- auf 14nm-Strukturen übergehen und dank DDR3-1600 eine höhere Speicherbandbreite aufweisen. Dieses bedeutet entweder eine noch geringere Verlustleistung oder alternativ höhere Taktraten bei gleicher Verlustleistung. Allerdings ist nicht klar, ob es bei Cherry Trail auch Derivate geben wird, die - wie bei Bay- Trail der Fall - gezielt für die industrielle Anwendung gedacht sind. Abzuwarten bleibt auch, ob bestimmte CPUs dann langfristig verfügbar sein werden - eine wichtige Voraussetzung, um die langjährige Verfügbarkeit von industriellen Steuerungen gewährleisten zu können.

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