Mit dem Vormarsch der industriellen Automatisierung und des Edge-Computing nimmt der Einsatz von Einplatinencomputern (SBC) zu. Sie vereinen alle wesentlichen Komponenten eines Computers auf einer einzigen Platine und verbinden damit Rechenleistung und Vernetzung in einer kompakten Bauform. Industrielle Einplatinencomputer bieten flexible und skalierbare Plattformen für zahlreiche Anwendungen, darunter Soft-SPSen und industrielle Bildverarbeitung.
Einer ihrer Vorteile besteht darin, dass sie auch unter Bedingungen eingesetzt werden können, die für herkömmliche Elektronik problematisch sind. Sie eignen sich für Industrieumgebungen, in denen Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Staub oder Spannungsschwankungen die Funktionsfähigkeit elektronischer Bauteile beeinträchtigen können. Da SBCs aus vergleichsweise wenigen Komponenten bestehen, reduzieren sich mögliche Ausfallstellen. Zudem sind industrielle Ausführungen auf Dauerbetrieb ausgelegt. Mit dem Wachstum des Edge-Computing steigt die Nachfrage nach Systemen, die Daten direkt am Entstehungsort und in Echtzeit verarbeiten.
Herausforderungen vom Prototyp zur Serie
Eine Herausforderung für Entwickler ist der Übergang vom SBC-basierten Prototyp zum einsatzbereiten Seriensystem. Gerade bei rechenintensiven Edge-KI-Anwendungen können Speicher, Wärmeentwicklung und Kosten zu begrenzenden Faktoren werden.
Zeitkritische Arbeitslasten erfordern, dass die Datenverarbeitung möglichst nahe am Ort der Datenerfassung stattfindet. Beispiele sind Bildverarbeitungssysteme zur Qualitätssicherung oder die vorausschauende Instandhaltung mit KI-gestützten Analysen. Dafür werden Prozessoren benötigt, die Rechenleistung, Vernetzung und Energieeffizienz miteinander verbinden, wie sie beispielsweise NXP anbietet.
„Da die Anforderungen an Edge-Workloads steigen, spielt der Arbeitsspeicher mittlerweile eine wichtige Rolle“, sagt Dave Lee, Senior Sales Executive bei Raspberry Pi. Der Markt erlebe derzeit einen erheblichen Mangel an Speicher und RAM, weil Cloud-Anbieter hohe Speicherbandbreiten beanspruchen.
Bei SBCs, auf denen Daten von der CPU an Zusatz- und Peripheriegeräte übertragen werden, wird der Speicher in rechenintensiven Edge-Anwendungen zusätzlich belastet. Raspberry Pi setzt deshalb bei DRAM und Speicherchips auf eine breit gefächerte Lieferantenbasis. Eine als Clamshell bezeichnete Lösung nutzt zwei DRAMs statt eines einzelnen Bausteins. Ist beispielsweise ein 4GB-Speicher schwer verfügbar, können stattdessen zwei 2GB-Module auf der Platine eingesetzt werden.
Robustheit über die Rechenleistung hinaus
Ein weiterer Aspekt ist die Versorgungssicherheit. Unterbrechungen können Datenverluste, beschädigte Speichermedien und Ausfallzeiten verursachen. Edatec begegnet diesen Risiken mit einer Komponentenauswahl, die über die eigentlichen Betriebsspezifikationen hinausgeht. Berücksichtigt werden unter anderem elektromagnetische Störungen, elektrostatische Entladungen sowie die eingesetzte Isolierung.
Beim 24V-E/A-System verwendet Edatec beispielsweise Komponenten mit einer Nennspannung von 80V. Für Stromausfälle bietet das Unternehmen zudem eine Superkondensator-Notstromversorgung. Sie stellt genügend Energie bereit, um das System kontrolliert herunterzufahren und Beschädigungen am Arbeitsspeicher oder nichtflüchtigen Langzeitspeicher zu vermeiden.
Auch die Umgebungsbedingungen bestimmen die Auslegung industrieller SBCs. Gateworks entwickelt robuste Stromversorgungen für Anwendungen, in denen keine stabile Versorgung oder kein aktives Wärmemanagement zur Verfügung steht. Einsatzfelder reichen vom Bergbau mit hohen Vibrationsbelastungen über Fabriken mit anspruchsvollen Umgebungs- und Temperaturbedingungen bis zum Verteidigungssektor und zu Weltraumanwendungen.
Die Beispiele zeigen, dass bei Industriecomputern nicht allein die Rechenleistung entscheidend ist. Ebenso wichtig ist, ob die Systeme ihre Funktion unter rauen Umgebungsbedingungen dauerhaft aufrechterhalten.
Vom Prototyp zum Industriesystem
Mit der weiteren Verbreitung von Edge-Computing steigt zugleich die Bedeutung des Zusammenspiels verschiedener Anbieter. Kein einzelner Hersteller deckt sämtliche Anforderungen einer Edge-Anwendung ab. Prozessorhersteller, Platinenentwickler, Systemintegratoren, Softwareentwickler und Vertriebspartner müssen deshalb Hard- und Software aufeinander abstimmen.
