Die Anforderungen an Computer und ihre Komponenten unterliegen – wie die Industrie selbst – dem steten Wandel. Die Erfahrung lehrt, dass wir auch in Zukunft immer mehr Leistung bei weiter verkleinerter Bauweise erwarten dürfen.
Einleitung
Die Komponenten industriell genutzter PC waren vor einigen Jahren noch regelmäßig in großen 19″-Gehäusen untergebracht. Moderne „Embedded PC“ zeichnet ihre kompakte, platzsparende Bauweise aus, die in den meisten Fällen auf rotierende, mechanisch anfällige Lüfter verzichtet. Diese manchmal auch „Embedded Server“ genannten Rechner lassen sich auch in Schaltschränke einbauen, eignen sich aber auch für die Tischaufstellung, die Wandmontage oder sogar für den Einbau in Fahrzeuge. Abbildung 1 zeigt einen aktuellen, lüfterlosen PC für Anwendungen in Industrie, Gewerbe und Forschung.
Abbildung 1: Vorder- und Rückansicht auf einen modernen, kompakten Industrie PC: der Neousys Nuvo-7200VTC. Außenmaße: 240×225×103mm (B×T×H). Bildquelle: https://www.neousys-tech.com/en/product/application/in-vehicle-computing/nuvo-7200vtc-intel-8th-9th-gen-en50155-in-vehicle-fanless-embedded-computer
Die kompakte Bauweise tut der Rechenleistung keinen Abbruch. In Abbildung 2 sieht man, wie einige leistungsbestimmende CPU-Parameter dank menschlichen Erfindungsgeistes bis heute angestiegen sind.
Abbildung 2: Ann Steffora Mutschler “Software-Defined Hardware Gains Ground – Again”, Bildquelle: https://semiengineering.com/software-defined-hardware-gains-ground-again/
Für „Machine Vision“-Anwendungen und besonders für Anwendungen in der Künstlichen Intelligenz (KI, bzw. AI für Artificial Intelligence) spielt das „GPU-Computing” eine immer größere Rolle. Das Rechnen auf Grafikprozessoren ermöglicht heute kaum vorstellbar viele „Fließpunktoperationen“ pro Sekunde. Die Einheit, in der dieser Performance-Parameter gemessen wird, heißt GFLPOS (1 GFLPOS = 1 Milliarde Fließpunktoperationen pro Sekunde). Abbildung 3 zeigt, dass wir sind längst im TeraFLOPS-Bereich angekommen sind!
Abbildung 3: Entwicklung der Rechenleistung von CPUs und GPUs (logarithmisch skalierte Ordinate). 2008 erreichten GPUs die TeraFLOPS-Marke, 2016 die 10 TeraFLOPS-Marke. Auch die Leistung der INTEL Xeon CPU Baureihe wurde im gleichen Zeitraum mehr als verzehnfacht. Darstellung von Karl Rupp im Blog “CPU, GPU and MIC Hardware Characteristics over Time”, Bildquelle: https://www.karlrupp.net/2013/06/cpu-gpu-and-mic-hardware-characteristics-over-time/
Kompakte und robuste Bauweise bei gleichzeitig sehr hohen Rechenleistungen kommt modernen Industrie PC auch beim Einsatz in Fahrzeugen zugute. Die nächste Abbildung zeigt einen Rechner, der gleich zwei Grafikkarten aufnehmen kann und deren geballte Rechenleistung in eine neue Dimension des mobilen Industrie PC-Einsatzes vorstößt, nämlich in die des Autonomen Fahrens.
Abbildung 2: Ein Neousys Nuvo-8240gc hat mit 2 eingebauten NVIDIA Tesla T4s Grafikkarten eine GPU-Rechenleistung von 130 TFLOPS. Abmessungen (B×T×H): 190×271×199 mm, Gewicht: 5,0 kg. Bildquelle: https://www.neousys-tech.com
Das Wärmemanagement lüfterloser Industrie PC
Robustheit setzt den möglichst weitgehenden Verzicht auf mechanische Bauteile voraus. Statt aktiver Wärmeabfuhr mittels rotierender Lüfter führt ein Kühlkörper aus leichtem, aber gut wärmeleitendem Aluminium die primär durch CPU und GPU produzierte Wärme passiv an die Umgebung ab.
Die Vorteile dieser Bauform:
- Kein Durchsatz von Umgebungsluft durch das Gehäuse, damit wesentliche geringere Staubanfälligkeit des PCs.
- Verringerter Stromverbrauch.
- Lüfter als vergleichsweise wartungs-intensive Bauteile fallen weg.
- Keine Geräuschemissionen mehr.
Stromsparende CPU
Embedded PCs setzen zumeist stromsparende Notebook-CPUs ein. Diese verbrauchen bei gleicher Rechenleistung weniger Strom, was im Notebook die Akku-Laufzeit erhöht und zudem die Wärmeproduktion verringert. Diese CPUs verbaut in Industrie-PC bieten den gleichen Vorteil: geringerer Stromverbrauch bedeutet weniger abzuführende Wärme.
Der geringere Stromverbrauch ist gleichzeitig ein Kosten- und Umweltschutz-Argument bei PC, die in der Industrie häufig im 24/7 Dauerbetrieb laufen.
Erweiterter Temperaturbereich
Industrie PC sind häufig starken Schwankungen der Umgebungstemperatur ausgesetzt. Daher gibt es Geräte, die bei Temperaturen im Bereich von -40°C bis +70°C zuverlässig betrieben werden können.
Erweiterter Eingangsspannungsbereich
Industrie PC werden nicht nur in konventionelle Schaltschränke eingebaut, sondern kommen auch im Outdoor-Bereich ohne Netzspannungsversorgung sowie in mobilen Fahrzeugen (Zug, LKW, PKW) zur Anwendung. Hier sind Betriebsspannungen von 12 V oder 24 V gefragt oder sogar das Tolerieren schwankender Spannungen. Dafür verfügen viele Embedded PCs über einen erweiterten Spannungseingang von z.B. 8 – 35 V.
Einschaltverzögerung
Im mobilen Einsatz wird meist eine Einschaltverzögerung benötigt (Switch-on delay oder auch Ignition control). Der Industrie-Computer schaltet nach dem Motorstart zeitverzögert ein, damit eine stabile Eingangsspannung sichergestellt ist. Gleiches gilt für das sichere, verzögerte Herunterfahren des PC nach dem Ausschalten der Fahrzeugelektrik.
Abbildung 3: Der Neousys Nuvo 8208GC verfügt sowohl über einen erweiterten Eingangsspannungsbereich als auch über eine Ignition-Control-Funktion. Damit eignet er sich auch für den mobilen Einsatz. Eigenes Bild.
Schnittstellen
Eines der wesentlichen Kriterien bei der Auswahl eines geeigneten Embedded PC ist die Ausstattung des Gerätes mit Schnittstellen, über die vorhandene, oftmals über viele Jahre bewährte Peripherie-Geräte angeschlossen werden. Je nach Einsatzgebiet verfügen Industrie PC über die bekannten Standard-Schnittstellen, wie z.B. verschiedene Monitor-Ausgänge, USB-Anschlüsse verschiedener Spezifikationen sowie Netzwerk- (Ethernet-) Anschlüsse. Dazu kommen häufig weitere spezifische Schnittstellen, wie PoE-Ethernet, Digital I/O, CAN-Bus und viele mehr. Zudem können in der Regel Schnittstellenkarten über PCI- oder (Mini-) PCIe- Schnittstellen nachgerüstet werden, so dass weitere Geräte angeschlossen werden können.
Schockresistenz
Die Widerstandsfähigkeit gegen Stöße und Vibrationen – die sogenannte Stoß- oder Schockresistenz – ist unter anderem in mobilen Anwendungen erforderlich. Das Design vieler Industrie PC ist auch die Erfüllung solcher Anforderungen ausgerichtet.
Zertifikate
Das Standard-Zertifikat auch für Industrie PC ist die CE-Kennzeichnung und damit der Nachweis ihrer Konformität mit den internationalen und nationalen Richtlinien. Dazu gehören die Normen bezüglich der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), der Verwendung gefährlicher Stoffe in Elektro- und Elektronikgeräten (RoHS) usw.
Bei bestimmten Anwendungen, als Beispiel seien Industrie PC in Fahrzeugen des öffentlichen Bahnverkehrs genannt, reicht die Normen-Konformität nicht aus. Hier gilt es, strengere Vorschriften zu beachten als z.B. nur die DIN EN 50155-2018-05 („Bahnanwendungen – Elektronische Einrichtungen auf Schienenfahrzeugen“).
Darüber hinaus sind behördlich erlassene Vorschriften zu beachten, deren Einhaltung von unabhängigen Instituten, den „Benannten Stellen“ überwacht werden. Dazu gehört als Zertifikat die E-Mark, bei der es u.a. auch wieder um die elektromagnetische Verträglichkeit geht. Es gibt auch Industrie PC, die mit militärischen oder medizintechnischen Zertifikaten die Eignung für ihren jeweiligen Einsatzzweck nachweisen.