Bei Industrie 4.0 dreht es sich um Daten, die schnell übertragen und verarbeitet werden müssen. Dazu braucht es Hardware mit sehr performanten Schnittstellen und einer hohen Rechenleistung, um die großen Datenmengen verarbeiten zu können. Wie eine solche Lösung mit einem Power-PC aussehen kann und warum die Power-PC-Technik noch lange nicht zum alten Eisen gehört, erfahren Sie auf diesen Seiten.

Nicht nur im Heimbereich, sondern auch im industriellen Umfeld nimmt die Datenmenge, wie Maschinendaten, Sensordaten oder Produktionsdaten, immer schneller zu. Die Produktionsdaten werden aufgrund von Nachvollziehbarkeit und Gewährleistungsansprüchen gesammelt und zentral erfasst. Hierfür müssen Fertigungsmaschinen vernetzt und die Daten über ein Edge Gateway gesammelt werden. Diese Vernetzung kann lokal, aber auch direkt über das Internet oder über Cloud-Dienste erfolgen. Gateways verarbeiten Daten vor, komprimieren und verschicken diese abgesichert gegen Manipulation und Datenmissbrauch über ein Netzwerk. Die Hardware muss sehr performante Schnittstellen und eine hohe Rechenleistung besitzen, um die großen Datenmengen verarbeiten zu können. Eine passende CPU-Architektur und damit die Grundlage für diese anspruchsvolle Aufgabe, bietet die QorIQ-T-Serie von NXP. Diese CPU-Derivate liefern alle bisher genannten Eigenschaften.

Der klassische Power-PC

Aber zunächst einmal, woher kommt der klassische Power-PC? Hersteller wie IBM, Apple, Motorola (später Freescale) gründeten Ende der 80er-, Anfang der 90er-Jahre das AIM Konsortium. Durch Spezifizierungen entwickelten sie die Power-PC-Architektur. Power-PC steht für „Performance optimization with enhanced RISC“, was so viel bedeutet wie „Leistungsoptimierung durch verbessertes RISC“, also eine leistungsoptimierte Prozessor-Architektur mit reduziertem Befehlssatz. Diese CPUs wurden für spezialisierte High-End-Workstations verwendet. In Folge dessen setze Apple in den ersten Macintosh auf Power-PC-CPUs, bis man Anfang der 2000er auf x86 umstiegen sind. Auch heute noch werden Power-PC-CPUs in Schaltzentralen und Netzwerk-Knotenpunkten als Datenverarbeitungsmaschine eingesetzt. Nichtsdestotrotz verdiente sich die Power-PC-Architektur durch ihre leistungsoptimierte Programmierung und starke Performance in eingebetteten Systemen einen guten Namen. Hier werden sie für Hochleistungsanwendungen in rauster Umgebung, schon viele Jahre eingesetzt. Es folgten viele weitere Power-PC-CPU-Generationen, die heute noch in vielen Applikationen eingesetzt werden, da ihre Langlebigkeit und Robustheit bei den Anwendern geschätzt wird. Über die Jahre hat die Power-PC-Architektur immer größere Konkurrenz durch die neuen Layerscape-Prozessoren bekommen, aber die letzte, echte Power-PC-CPU – die QorIQ-T-Serie – existiert nach wie vor. Diese Kommunikations-Prozessoren-Familie bietet für die heutigen Märkte viele Möglichkeiten. Eine ideale Anwendung ist ein Edge Gateway für Datenvorverarbeitung, Sammlung, Komprimierung und Weiterleitung.

Zuverlässige Basis

Im Folgenden wird aufgezeigt, warum Power-PC-basierte Systeme auch heute noch ihre Berechtigung haben. Speziell die ausgereiften Beschleunigerblöcke in Hardware bieten eine zuverlässige Basis für Datenintensive Anforderungen.
In Anwendungen wie diesen ist die Langzeitverfügbarkeit der Komponenten essentiell. Hier bietet der Hersteller NXP für seine CPU-Derivate mindestens zehn Jahre auf seinen Roadmaps an, sehr oft auch weit über diesen Zeitraum hinaus. Das Hauptmerkmal dieser Kommunikations-Prozessoren, speziell bei der QorIQ-T-Serie, ist die Anzahl der leistungsstarken I/O-Schnittstellen. Etwa der T1042 bietet mit bis zu 5x Gigabit Ethernet, bei acht SerDes Lanes, die über SGMII oder QSGMII betrieben werden können, sehr performante Ethernet oder PCIe Ports. Diese können in einem Edge Gateway die zu verarbeiteten Datenpakete schnell und sicher verarbeiten. Dies kann zwischen verschiedenen Netzwerken erfolgen, aber auch zwischen Ethernet und Massenspeichern, welche über PCIe oder SATA angebunden sein können. Ein weiteres Alleinstellungsmerkmal sind die Hardwarebeschleuniger der T-Serie, aufgrund der Data Path Acceleration Architecture (DPAA). Die DPAA entlastet den Prozessor von I/O-Aufgaben und sorgt damit dafür, dass die volle Prozessorleistung für die Applikation genutzt werden kann. Diese Hardwarebeschleuniger analysieren, klassifizieren und verteilen Datenpakete. Darüber hinaus ist ein Security Beschleuniger für Verschlüsselung mit voller Ethernet- Bandbreite integriert.

Gerätesicherheit überwachen

Der Security Monitor kann zur Überwachung der Gerätesicherheit benutzt werden. Ein typischer Anwendungsfall ist es, das Gehäuse eines Gerätes auf unbefugtes Öffnen zu überwachen und im Falle eines unautorisierten Zugriffs, die hinterlegten Zugangsdaten zu Netzwerken zu löschen. Dadurch kann sichergestellt werden, dass kompromittierte Geräte keinen Zugriff mehr auf die Netzwerkinfrastruktur erhalten.
Über die ebenfalls integrierte Pattern Matching Engine können Datenströme ohne Zutun der CPU auf Muster untersucht werden. Diese Muster werden als sogenannte Regular Expressions formuliert. Regular Expressions dienen der exakten und eindeutigen Beschreibung von Zeichenfolgen. Auf diesem Weg können etwa Inspection Firewalls realisiert werden, es können aber auch ganz allgemein Datenströme auf bestimmte Auslösewörter hin untersucht werden und basierend auf den gefunden Zeichenfolgen, entsprechende Aktionen ausgelöst werden.
Des Weiteren besteht die Möglichkeit über PCIe oder SATA2.0 verschiedene Erweiterungen, wie beispielsweise WLAN, LTE-Module oder Massenspeicher anzubinden. Dadurch bekommt der Nutzer viele zusätzliche Möglichkeiten die Applikation zu updaten und flexibel an den sich schnell ändernden Markt anzupassen. Zusätzlich kann via Localbus ein FPGA (Field Programmable Gate Array) angebunden werden. Der Vorteil des Localbus gegenüber PCIe liegt zum einen in der geringeren Latenz und zum anderen darin, dass deutlich kostengünstigere FPGAs ausgewählt werden können, da in diesem Fall keine PCIe Phy im FPGA benötigt wird. Über das FPGA kann dem System fehlende Funktionalität kostengünstig ergänzt werden.

Software portierbar

Ein weiterer, wichtiger Punkt für Power-PC-Anwender ist, dass die Software der älteren QorIQ-P-Serie (32-bit) portierbar auf neuere Generation der QorIQ-T-Serie (64-bit) ist. Speziell Anwendungen, die hardwarenahe Protokolle implementieren und bei denen die Byte-Order eine Rolle spielt, können in der Regel wesentlich einfacher auf die T-Serie portiert werden, als das bei Arm oder x86 der Fall wäre.
Ein weiterer Vorteil liegt im Verhältnis der Verarbeitungsleistung zur Stromaufnahme der CPU. Hier sprechen wir bei einem QorIQ T1042 (Quad Core e5500, 4x 1.4GHz), der auf einem TQMT1042-AA Prozessormodul eingesetzt wird, von circa sechs bis acht Watt Leistungsaufnahme. Somit ist ein lüfterloser Einsatz für dieses Hochleistungsmodul einfach, betriebssicher und kostengünstig realisierbar, da auf aktive Kühlung verzichtet werden kann. Ein weiterer Punkt ist die Robustheit der CPUs, beziehungsweise der Embedded-Module ist, dass diese auch im Grenzbereich absolut zuverlässig arbeiten und ihre volle Funktionalität liefern. Dies wird etwa  bei TQ durch Temperaturzyklustest für jedes Prozessormodul von -50°C bis +95°C bei der Produktqualifizierung sichergestellt. Im Rahmen der Produktentwicklung durchlaufen die Module intensivste Qualifizierungstest, die sicherstellen, dass ein stabiler und zuverlässiger Betrieb gewährleistet wird. Im industriellen Umfeld können schnell extreme Bedingungen für die Elektronik entstehen. Sei es, dass das Gateway, die Produktionsdaten in einer Backstraße bei sehr hohen Umgebungstemperaturen sammelt, oder als Datenlogger, der im Flugzeug hohen Vibrationen und anderen Kräften ausgesetzt ist. Die Elektronik muss den geforderten Umwelteinflüssen standhalten und zuverlässig funktionieren. Bei Bedarf können die Grenzen eines Systems oder Moduls  im Rahmen einer genauen Analyse und geeigneter Testverfahren ermittelt werden. Gängig hierfür ist beispielsweise ein HALT-Testverfahren (High Accelerated Life Test).
In vielen Branchen, wie Luftfahrt und Medizintechnik gibt es sehr lange Entwicklungszeiträume, von der ersten Idee bis zum fertigen Gerät. Verursacht von aufwändigen Zulassungsverfahren und komplexen Produktqualifizierungen dauert es häufig mehrere Jahre bis zum Serienanlauf. Der Einsatz von Prozessormodulen erlaubt es bereits zu einem sehr frühen Zeitpunkt mit Vorqualifizierungen zu starten, was zu wesentlich robusteren Designs, besser kalkulierbaren Zeitplänen, weniger Komplexität und dadurch zu einer deutlich kürzeren Time-to-Market führt. Exakt aus diesem Grund setzen viele Hersteller solcher Systeme auf beständige und langzeitverfügbare Power-PC-CPU-Module, wie beispielsweise dem TQMT1042-AA. Diese Module können über die komplette Produktlebenszeit des Prozessors geliefert werden. Darüber hinaus kann im Bedarfsfall eine erweiterte Verfügbarkeit angeboten werden. Dies wird projektspezifisch mit dem Kunden vereinbart und über das Obsolescence Management sichergestellt.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die modernen Power-PC-Derivates noch längst nicht zum alten Eisen gehören. Ihre ausgereifte Technik im Zusammenspiel mit den leistungsfähigen Hardwarebeschleunigern bietet nach wie vor eine äußerst robuste und zuverlässige Basis für heutige Anwendungen im industriellen Umfeld.