Embedded PC für parallele Datenerfassung über vier 2,5 GbE Schnittstellen

Bei der parallelen Datenerfassung mit mehreren Kameras, Sensoren oder Messgeräten reicht es nicht aus, lediglich die Anzahl der Netzwerkanschlüsse zu prüfen. Entscheidend ist, ob alle Schnittstellen gleichzeitig mit der erforderlichen Datenrate arbeiten können und ob im System genügend PCIe Ressourcen für weitere Komponenten verbleiben.

Besonders anspruchsvoll wird die Auslegung, wenn vier unabhängige 2,5 GbE Verbindungen benötigt werden und später zusätzlich eine dedizierte NVIDIA GPU eingebaut werden soll. Eine Netzwerkkarte darf dann weder den GPU Steckplatz blockieren noch die Erweiterungsmöglichkeiten des Systems vollständig belegen.

IPC2U hat auf Basis des FPC-8208-G1 eine erweiterbare Embedded PC Lösung für diese Anforderungen zusammengestellt. Sie verbindet hohe CPU Leistung, vier schnelle Ethernet Schnittstellen, industriellen Arbeitsspeicher und industriellen Massenspeicher mit einem freien Steckplatz für den späteren GPU Ausbau.

Die Anforderung: Mehrere Datenströme gleichzeitig erfassen

Moderne Kameras und Sensoren liefern immer größere Datenmengen. Bei Anwendungen mit mehreren Geräten müssen die einzelnen Datenströme parallel erfasst, zwischengespeichert und verarbeitet werden. Typische Einsatzbereiche sind:

• industrielle Bildverarbeitung mit mehreren Kameras
• optische Inspektions- und Prüfsysteme
• mobile und stationäre Messsysteme
• Prüfstände und Versuchsaufbauten
• wissenschaftliche Datenerfassung
• Qualitätskontrolle in Produktion und Labor
• Verkehrs- und Infrastrukturüberwachung
• Maschinen- und Anlagenüberwachung

Vier Schnittstellen mit jeweils 2,5 Gbit/s ergeben eine addierte Bruttodatenrate von 10 Gbit/s. Der tatsächlich nutzbare Datendurchsatz liegt niedriger und hängt unter anderem von den angeschlossenen Geräten, dem Übertragungsprotokoll, der Paketgröße und der Systemkonfiguration ab. CPU, PCIe Anbindung, Arbeitsspeicher und Datenspeicher müssen deshalb gemeinsam betrachtet werden.

Warum die PCIe Belegung entscheidend ist

Der Embedded PC verfügt bereits über zwei 2,5 GbE und zwei Gigabit Ethernet Schnittstellen. Für Anwendungen, die vier gleichwertige 2,5 GbE Verbindungen benötigen, wird er mit einer zusätzlichen Netzwerkkarte mit vier Ports konfiguriert. Sie belegt einen der beiden vorhandenen PCIe x4 Steckplätze.

Der separate PCIe x16 Steckplatz bleibt dadurch für eine spätere NVIDIA GPU verfügbar. Der mechanische x16 Steckplatz ist mit acht PCIe Lanes angebunden. Ob diese Anbindung für die vorgesehene Verarbeitung ausreicht, hängt von der eingesetzten GPU und dem Datenfluss der Anwendung ab. Ein weiterer PCIe x4 Steckplatz steht auch nach Einbau der Netzwerkkarte zur Verfügung.

Die vier zusätzlichen Ports können für die parallelen Datenquellen reserviert werden. Die integrierten Anschlüsse bleiben dann beispielsweise für Anlagenkommunikation, übergeordnete Netzwerke, Fernwartung oder Service verfügbar. Ihre Zuordnung wird passend zur Netzwerktopologie des Projekts festgelegt.

Diese Aufteilung ist ein wesentlicher Vorteil der Lösung. Bei vielen kompakten Embedded PCs wird der einzige Erweiterungsplatz bereits für zusätzliche Netzwerkschnittstellen benötigt. Eine spätere GPU Nachrüstung wäre dann nur durch den Austausch der Netzwerkkarte oder des Rechners möglich.

Zunächst CPU Verarbeitung, später GPU Beschleunigung

Nicht jede Anwendung benötigt bereits zu Projektbeginn eine dedizierte GPU. Datenerfassung, Steuerung, Vorverarbeitung und Speicherung können zunächst über die CPU erfolgen. Wenn später Bildverarbeitungsalgorithmen, KI Modelle oder andere parallelisierbare Rechenverfahren hinzukommen, lässt sich das System um eine geeignete NVIDIA GPU erweitern.

Der FPC-8208-G1 unterstützt Grafikkarten mit einer Leistungsaufnahme von bis zu 100 W und verfügt über einen PEG Stromanschluss. Damit kommen insbesondere professionelle NVIDIA GPUs mit kompakter Bauform und geringer Leistungsaufnahme infrage.

Für den geplanten GPU Ausbau stehen unter anderem folgende professionelle Grafikkarten zur Auswahl:

• NVIDIA RTX 2000 Ada, 16 GB GDDR6, 224 GB/s, 71 AI TOPS, 70 W, Dual Slot
• NVIDIA RTX 2000E Ada, 16 GB GDDR6, 224 GB/s, 71 AI TOPS, 50 W, Single Slot
• NVIDIA RTX PRO 2000 Blackwell, 16 GB GDDR7, 288 GB/s, 545 AI TOPS, 70 W, Dual Slot
• NVIDIA RTX PRO 4000 Blackwell SFF, 24 GB GDDR7, 432 GB/s, 770 AI TOPS, 70 W, Dual Slot

Die Auswahl erfolgt projektspezifisch. Neben der Leistungsaufnahme müssen Kartenlänge, Bauhöhe, Breite, Kühlung, Treiberversorgung und der zulässige Betriebstemperaturbereich berücksichtigt werden. IPC2U prüft deshalb vor der Nachrüstung, ob die gewünschte GPU mechanisch, elektrisch und thermisch zur vorhandenen Systemkonfiguration passt.

Über die konfigurierbare Variante des FPC-8208-G1-C kann die passende Ausstattung direkt bei IPC2U angefragt werden.

Intel Core Leistung mit industrieller Plattformbasis

Das System unterstützt Intel Core i3, i5, i7 und i9 Prozessoren der 12., 13. und 14. Generation. Für eine ausgewogene Kombination aus Rechenleistung und thermischer Reserve kann beispielsweise ein Intel Core i7-14700T mit 35 W Grundleistungsaufnahme eingesetzt werden.

Die Wahl zwischen einer CPU mit 35 oder 65 W wirkt sich unmittelbar auf die zulässige Umgebungstemperatur aus. Das Datenblatt nennt für das Basissystem bei vorhandener Luftströmung:

• −20 bis +70 °C mit einer CPU der 35-W-Klasse
• −20 bis +55 °C mit einer CPU der 65-W-Klasse
• −20 bis +45 °C in der geprüften Konfiguration mit NVIDIA GTX 1660

Für andere GPUs und zusätzliche PCIe Karten ist der Temperaturbereich der vollständigen Konfiguration gesondert zu bewerten. Die höchste Temperaturangabe des Basissystems darf nicht automatisch auf jede Ausbaustufe übertragen werden.

Industrieller Arbeitsspeicher und industrieller Massenspeicher

Die IPC2U Lösung wird mit industriellen DDR5 Speichermodulen und einer industriellen NVMe SSD konfiguriert. Zwei DDR5 SO-DIMM Sockel ermöglichen bis zu 96 GB Arbeitsspeicher. Die Kapazität lässt sich damit an die Anzahl der Datenquellen und den Umfang der Verarbeitung anpassen.

Für das Betriebssystem und die schnelle Datenerfassung steht ein M.2 Steckplatz für eine NVMe SSD mit PCIe Gen4 x4 Anbindung zur Verfügung. Zusätzlich können zwei industrielle 2,5 Zoll SATA SSDs eingebaut werden. Die SATA Laufwerke unterstützen RAID 0 und RAID 1.

Der Einsatz industrieller Speicherkomponenten bietet insbesondere bei langfristig geplanten Systemkonfigurationen wichtige Vorteile:

• kontrollierte Stücklisten
• längere Produktverfügbarkeit
• nachvollziehbare Kombination aus Controller und Flash Speicher
• definierte Schreibfestigkeit entsprechend der gewählten SSD Serie
• Varianten für erweiterte Temperaturbereiche
• bessere Reproduzierbarkeit bei wiederkehrenden Systemlieferungen

Das Speicherkonzept wird nach dem erwarteten Datenvolumen ausgelegt. Betriebssystem, laufende Datenerfassung und Datenarchiv können bei Bedarf auf getrennte Laufwerke verteilt werden. Neben der Kapazität sind dabei vor allem die kontinuierliche Schreibgeschwindigkeit und das tägliche Schreibvolumen entscheidend.

Umfangreiche Schnittstellen für Integration und Service

Für die Integration von Peripherie und Servicegeräten stehen außerdem folgende Schnittstellen bereit:

• 8× USB 3.2 Gen2 mit 10 Gbit/s
• 2× USB 3.2 Gen1 mit 5 Gbit/s
• 2× DisplayPort 1.4a
• 1× HDMI 2.1
• 1× VGA
• 2× RS-232/422/485
• 2× RS-232
• digitale Ein- und Ausgänge

WLAN und Bluetooth können über ein M.2 E-Key Modul ergänzt werden. Darüber hinaus stehen M.2 und Mini PCIe Steckplätze für Mobilfunk, GPS oder weitere Kommunikationsmodule zur Verfügung.

Die Anschlüsse sind an den beiden Schnittstellenseiten des Systems gut zugänglich. Das erleichtert den Anschluss mehrerer Datenquellen sowie Wartung und Austausch innerhalb einer Maschine, eines Prüfstands oder eines geschützten Systemgehäuses.

Gleichstromversorgung für industrielle Systeme

Der Embedded PC arbeitet mit einer Eingangsspannung von 9 bis 36 V DC und lässt sich damit in unterschiedliche industrielle Versorgungskonzepte integrieren. Funktionen für verzögertes Ein- und Ausschalten sowie Ignition Power Management sind vorgesehen.

Das Datenblatt nennt eine maximale Leistungsaufnahme von 65 W für das Basissystem mit 35-W-CPU und 95 W mit 65-W-CPU, jeweils ohne zusätzliche Erweiterungskarten. Netzwerkkarte, GPU, Laufwerke und Kommunikationsmodule erhöhen den Leistungsbedarf. Die Stromversorgung muss deshalb immer für die vollständige Konfiguration einschließlich ausreichender Leistungsreserve dimensioniert werden.

Mechanische Belastbarkeit der Gesamtkonfiguration

Für das Basissystem mit SSD nennt der Hersteller eine Vibrationsfestigkeit von 3 Grms bei 5 bis 500 Hz sowie eine Schockfestigkeit von 40 G im Betrieb und 60 G außer Betrieb. Diese Werte gelten für die im Datenblatt definierte Systemausführung.

Nach dem Einbau einer Netzwerkkarte oder GPU müssen auch deren Befestigung, Leiterplatte, Kühlsystem und Steckverbindungen berücksichtigt werden. Die Belastbarkeit des Basissystems ist daher nicht automatisch auf jede Erweiterungskarte übertragbar. Bei bewegten Anwendungen muss die vollständige Konfiguration einschließlich Befestigung und Erweiterungskarten gesondert bewertet und bei Bedarf getestet werden.

Mit Abmessungen von 225 × 190 × 292 mm und einem Gewicht von 7,35 kg vereint der Embedded PC drei PCIe Steckplätze und Platz für mehrere Laufwerke in einer vergleichsweise kompakten Bauform.

Langfristige Plattformverfügbarkeit

Der FPC-8208-G1 basiert auf dem Intel Q670E Chipsatz und unterstützt Prozessoren aus der Intel Embedded Roadmap. Hersteller von Embedded PCs orientieren die Verfügbarkeit solcher Plattformen in der Regel am Lifecycle der eingesetzten Intel Prozessoren und Chipsätze.

Bei einer neu eingeführten Plattform ist deshalb eine Verfügbarkeit von bis zu zehn Jahren ab Einführung möglich, sofern Intel oder der Systemhersteller die relevanten Komponenten nicht vorzeitig abkündigt. Für wiederkehrende Projekte kann IPC2U zusätzlich eine kontrollierte Konfiguration mit industriellen Speicherkomponenten und festgelegter Stückliste bereitstellen.

IPC2U Systemkonfiguration im Überblick

Eine Plattform für unterschiedliche Ausbaustufen

Die Lösung kann zunächst für CPU basierte Datenerfassung und Verarbeitung eingesetzt werden. Netzwerk, Arbeitsspeicher und Massenspeicher sind bereits auf mehrere parallele Datenquellen ausgelegt. Steigt der Rechenbedarf, kann eine passende NVIDIA GPU ergänzt werden, ohne das Basissystem oder das Mainboard auszutauschen.

IPC2U übernimmt die Abstimmung von CPU, industriellem RAM, industriellen SSDs, Netzwerkkarte, PCIe Belegung, GPU, Stromversorgung und Betriebssystem. Wir helfen gerne bei der Auswahl und Konfiguration eines passenden Embedded PCs mit Erweiterungsslots oder Edge KI Systems für Ihre Anwendung.