Kategorie: Wissen

System-on-a-Chip oder Ein-Chip-System

Werden die wichtigsten oder sogar alle Komponenten eines Systems auf einem einzigen Chip kombiniert, so spricht man von einem System-on-a-Chip (dt.: Ein-Chip-System). Die bedeutendste Komponente eines solchen Systems ist der Hauptprozessor – egal ob 8bit- oder QuadCore-CPU, auf dem Markt ist alles Mögliche zu finden. Oft werden auch noch weitere Prozessoren, wie beispielsweise für die Grafik oder Audio-Prozessoren für die Dekodierung und Steuerung von Audiodaten in Smartphones, aufgelötet. Der nächste Bestandteil ist der Arbeitsspeicher, der über einen oder mehrere Speicherchips integriert wird. Alle internen Komponenten des Systems sind über den Systembus (für den Datenaustausch zwischen CPU, RAM, Cache) und den Peripheriebus (unter anderem für USB) verbunden.

Einsatzgebiete von SoCs

Ein-Chip-Systeme finden sich vor allem im Bereich der mobilen Endgeräte und Anwendungen, also Smartphones und Tablets, und in der Steuerungs- und Automatisierungstechnik, also bei Waschmaschinen oder in der Industrieautomation. 

Vorteile eines Ein-Chip-Systems

Durch ihre besondere Bauweise sparen Ein-Chip-Systeme zum einen enorm viel Platz ein, sodass sie beinahe überall eingesetzt werden können, und zum anderen können dadurch auch Kosten eingespart werden. Des Weiteren bieten Ein-Chip-Systeme einen verringerten Stromverbrauch.

Nvidia Tegra SoC integriert alles

Wie bereits erwähnt, ist der im Jahr 2018 veröffentlichte TEGRA 2 das erste (und bislang auch einzige) System in den Reihen der spo-comm Mini-PCs, das auf einem SoC-Chip basiert. Genauer gesagt auf einem Nvidia-SoC-Chip. Dieser integriert alles Nötige für Anwendungen im Digital-Signage-Bereich: Einen 8GB großen Speicher, einen 32GB eMMC Flash-Speicher, die namensgebende Nvidia Tegra X2 CPU, sowie ein LAN- und ein WLAN-Modul. Und das alles in einem Gehäuse mit Maßen von nur 160 x 132 x 51 mm (B x T x H). Der TEGRA 2 kann nicht nur zwei Bildschirme gleichzeitig mit 4K@60 Hz Inhalten bespielen. Dank der 256 integrierten CUDA-Kerne ist es außerdem möglich, ihn für Deep-Learning-Anwendungen und für Echtzeitberechnungen und Videobearbeitung in der Automobilbranche einzusetzen.

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Der Begriff Raytracing (dt.: Strahlenverfolgung) bezeichnet einen Algorithmus um Bilder zu berechnen. Ziel ist es, die dreidimensionale Welt in einem zweidimensionalen Bild darzustellen, indem das physikalische Verhalten von Licht und Lichtstrahlen simuliert wird. Das Spiel aus Reflexionen, Licht und Schatten sorgt bei PC-Spielen oder animierten Filmen für ein besonders realistisches Bild.

Raytracing vs. Rasterisierung

Vor der Entwicklung von Raytracing wurde bereits die sogenannte Rasterisierung (engl.: rasterization) eingesetzt. Diese berechnet jedoch nur Licht und Objekte, die direkt im Bild zu sehen sind (mehr zum Unterschied zwischen Raytracing und Rasterisierung ist auf gamestar.de zu finden). Das Besondere beim Raytracing ist nun, dass auch nicht sichtbare Objekte oder Lichtquellen analysiert und berechnet werden, beispielsweise die Sonne am Himmel, die im Bild nicht zu sehen ist, sich aber in der Pfütze spiegelt. Oder Lichtstrahlen, die von einem Fenster reflektiert werden, dass sich außerhalb des sichtbaren Bereichs befindet. 

Wie funktioniert Raytracing?

Was passiert dabei also genau? Die Lichtstrahlen werden vom Auge des Betrachters in den virtuellen Raum hinein und bis zu einem Objekt verfolgt. Dann wird die Oberfläche dieses Objekts analysiert und je nach Beschaffenheit, wird der Lichtstrahl reflektiert, gebeugt oder absorbiert. So können sich die Lichtstrahlen im gesamten virtuellen Raum ausbreiten und alle Objekte, egal ob gerade sichtbar oder nicht, erfassen. Am Ende ergibt sich für den Betrachter ein sehr realitätsnahes Bild.

Wer mehr über die verschiedenen Raytracing-Methoden erfahren möchte, findet diese in einem Video von Nvidia anschaulich erklärt.

Wo wird Raytracing eingesetzt?

Dieser Render-Ansatz ist nicht neu und kommt bei Kinofilmen oder in der Werbung schon seit längerer Zeit zum Einsatz. Hier spricht man von CGI (Computer Generated Imagery) – eine Technik, die es ebenfalls schafft, künstliche Bilder echt wirken zu lassen.

Die RTX-Grafikkarten von Nvidia ermöglichen Echtzeit-Raytracing und sind somit für PC-Spiele geeignet. Jedoch dauert das Rendern noch recht lange, weswegen auch die Turing-Grafikchips mit kompletten Spielszenen überfordert wären. Nvidia setzt daher auf Hybrid-Rendering und mischt Raytracing mit Rasterisierung.

Welche Hardware brauche ich für Raytracing?

Die bereits erwähnten Nvidia Turing-Grafikkarten, sprich die RTX-2000-Modelle wurden speziell für Raytracing entwickelt (daher auch das “R” in “RTX”). Dank eigener Raytracing-Cores, können Sie dies in Echtzeit berechnen. Mit den passenden neuen Treibern ist Raytracing auch mit den Nvidia GeForce GTX 1000-Grafikkarten möglich. Hier ist jedoch keine gute Performance zu erwarten. Softwareseitig wird Windows 10 mit der DirectX-12-Raytracing-API DXR Version 1809 benötigt.

spo-comm Industrie-PC für Raytracing

Wer einen robusten Industrie-PC für anspruchsvolle Grafikanwendungen sucht, findet mit unserem KUMO V genau das richtige. Er ist mit einer Nvidia GeForce RTX 2060 ausgestattet – mit 6GB integriertem GDDR6-Speicher und 1920 CUDA Cores. Neben Echtzeit-Raytracing bietet der Mini-PC KI-Rechenleistung und neue Shading-Technologien. Da bleiben keine Wünsche offen.

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Ein Hot Swap (dt. “heißer Tausch”) ist im Grunde genommen das Austauschen von PC-Peripherie, während des laufenden Betriebs. Die auszutauschenden Komponenten sind dabei nicht mit dem Betriebssystem oder anderer Software verbunden. Dabei wird also weder die Stromzufuhr unterbrochen noch das System neu gestartet.  

Nehmen wir an, ein Lüfter weist einen Defekt auf während der Mini-PC läuft, so lässt sich der beschädigte Lüfter dank Hot Swapping einfach austauschen und durch einen neuen ersetzen. Auch andere Komponenten, wie beispielsweise PCIe oder SATA-Laufwerke, die sich in einem RAID-Verbund befinden, lassen sich mittels Hot Swap tauschen.

Basis für Hot Swapping

Damit eine Komponente mittels Hot Swapping getauscht werden kann, muss die zugehörige Steckerverbindung gewisse Kriterien erfüllen. Die Steckkontakte müssen voreilend ausgeführt sein, das bedeutet, dass die Kontakte in einer definierten Reihenfolge verbunden und getrennt werden, meist in drei oder mehr Stufen. Realisiert wird dies durch ein gemeinsames Gehäuse, in dem die Kontakte weiter nach vorne und weiter zurückversetzt sind. Die gängigsten Systeme, deren Steckkontakte voreilend ausgeführt sind, sind SATA und USB (siehe Bild 1).

Der Anwender sollte außerdem darauf achten, entsprechende Stecker möglichst geradlinig und langsam aus- und vor allem einzustecken.

Gut zu wissen: Was ist USB?

Welche Vorteile bietet Hot Swapping?

Wie bereits eingangs erwähnt, liegt der Vorteil von Hot Swapping darin, dass Systeme nicht neu gestartet werden müssen und keine Unterbrechung des Betriebs notwendig ist, um kaputte Komponenten zu ersetzen. Besonders im Bereich von Servern oder in der Industrie, wo PCs 24/7 im Einsatz sein müssen, bietet das schnelle Austauschen von Komponenten mittels Hot Swap einen entscheidenden Vorteil, da auch nur die kleinste Unterbrechung des Betriebs einen enormen Verlust bedeuten kann.

Varianten von Hot Swapping

• Hot Add: Bezeichnet das Hinzufügen neuer Komponenten, die ohne Konfiguration im laufenden System arbeiten.
• Hot Plug: Das Hinzufügen und Entfernen von Komponenten im laufenden Betrieb, solange keine Software darauf zugreift, auch bekannt als Plug and Play.
• Hot Switch: Das Umschalten zwischen Komponenten, beispielsweise zu einem redundant mitlaufenden Netzteil.

Hot Swap fähige spo-comm Mini-PCs  

• RUGGED GTX1050 Ti
• RUGGED Ryzen
• RUGGED Q170
• MOVE QM87

Was bedeutet “Embedded”?

Der Begriff “Embedded” bedeutet “eingebettet”. Ein eingebettetes System ist ein Computer, der in einem technischen Umfeld eingebunden ist und Aufgaben wie Überwachung, Steuerung oder Datenverarbeitung übernimmt. Dazu gehören beispielsweise Kleinstcomputer in Waschmaschinen, Fernsehern, Routern, Kühlschränken oder Autos. Wir sprechen hier jedoch von etwas größeren Systemen: Embedded-PCs, die mit einer entsprechenden CPU ausgestattet sind.

Wo kommen Embedded-CPUs zum Einsatz?

Embedded-CPUs werden vor allem im professionellen Umfeld verwendet, beispielsweise für industrielle Anwendungen, in Fahrzeugen oder in der Medizintechnik.

Welche Vorteile hat eine Embedded-CPU?

Die CPUs zeichnen sich durch eine erhöhte Ausfallsicherheit, einen erweiterten Temperaturbereich und vor allem durch lange Komponentenverfügbarkeit aus. So garantiert beispielsweise Intel für seine Embedded-Prozessoren eine Langzeitverfügbarkeit von bis zu 15 Jahren. Der Vorteil davon: Wenn eine Anwendung einmal läuft, ist der Einsatz für die nächsten Jahre gesichert und die Entwickler müssen nicht nach kurzer Zeit die Hard- und Software wieder anpassen. Zudem werden Embedded-Systeme oft zertifiziert. Sind die CPUs über viele Jahre verfügbar, entfallen teure Re- oder Neuzertifizierungen.

Ein weiterer Vorteil ist, dass Embedded-CPUs extrem robust sind, da es in der Regel gelötete Prozessoren mit BGA (Ball Grid Array) sind, welche eine hohe mechanische und thermische Robustheit mit sich bringen. So können Embedded-PCs ohne Probleme im 24/7 Dauerbetrieb in rauen Umgebungen laufen. Dank ihrer kompakten Bauform sind Embedded-CPUs wie gemacht für Mini-PCs und punkten außerdem mit einem geringen Stromverbrauch.

Welche Nachteile hat eine Embedded-CPU?

Bei all den Vorteilen stellt sich die Frage, ob eine Embedded-CPU überhaupt negative Eigenschaften hat. Tatsächlich können wir hier nur die geringe Leistung erwähnen, da sich, wie bei Mobil-CPUs, auf wenig Platz nicht allzu viel unterbringen lässt. Hier hat sich jedoch in den letzten Jahren auch einiges getan. Und für die Gebiete, in denen Embedded-CPUs überwiegend eingesetzt werden, reicht es allemal.

Gut zu wissen: Was sind Mobile-CPUs?

Intel und AMD Embedded-CPUs

Beide großen Hersteller von Prozessoren haben diverse Modelle im Angebot: Intel bietet Embedded-CPUs in den Reihen Celeron, Pentium und Core i3 an. AMD hat die Serien Ryzen Embedded und Epyc Embedded im Angebot.

Die Abkürzungen BGA, PGA, LGA und CCGA bezeichnen Gehäuseformen von integrierten Schaltungen. Sie unterscheiden sich jedoch in der Art der Anschlüsse.

Was sind integrierte Schaltungen?

Ball Grid Array (BGA)

Die Abkürzung BGA steht für „Ball Grid Array“ (dt.: „Kugelgitteranordnung“). Bei dieser Gehäuseform bilden kleine Lotperlen (engl.: „balls“) die Anschlüsse, die in einem quadratischen Raster (engl.: „grid“) aus Spalten und Zeilen auf der Unterseite des Chips angeordnet sind. Durch diese Bauform können wesentlich mehr, etwa doppelt so viele, Anschlüsse wie bei PGA untergebracht werden. Die Lötkugeln liefern kurze Verbindungen und somit eine enorme Leistung.

Die Vorteile von BGA liegen im geringen Platzbedarf, der guten Wärmeabfuhr sowie der geringen Impedanz durch kurze Verbindungswege zur Leiterplatte. Zudem können die Chips wieder von der Leiterplatte ausgelötet werden, ohne sie zu beschädigen. Dies ermöglicht das Entfernen alter Lotperlen (entloten, engl. „deballing“) und Bestücken mit neuen Perlen (Neubeperlung, engl. „reballing“). Im Anschluss kann der Chip auf eine neue Leiterplatte gelötet werden. Da gelötete Prozessoren mechanisch und thermisch extrem robust sind, kKommt BGA vor allem bei Embedded-CPUs zum Einsatz.

Ein großer Nachteil ist, dass die Kontrolle der Lötstellen nur durch Röntgen erfolgen kann, da die Anschlüsse verdeckt und schwer zugänglich sind. Das schränkt auch Reparaturmöglichkeiten stark ein. Zum sicheren Löten wird eine spezielle Ausrüstung, ein sogenannter Reflow-Ofen benötigt. Zudem lassen sich BGA-Chips nur auf Multilayer-Platinen sinnvoll einsetzen, was ihre Anwendungsmöglichkeiten etwas begrenzt.

Pin Grid Array (PGA)

Das sogenannte „Pin Grid Array“ (PGA) wird vor allem bei Prozessoren verwendet. Während bei BGA Lötperlen eingesetzt werden, nutzt das Pin Grid Array – wie der Name schon sagt – kleine Pins (also „Kontaktstifte“ oder „Beinchen“) als Anschlüsse. Diese werden ebenfalls in einem quadratischen Raster angeordnet, die Anschlusszahl und Anordnung der Arrays variiert jedoch, sodass es eine Vielzahl an Varianten und somit auch verschiedene CPU-Sockel gibt. Die Stiftreihen können parallel oder versetzt angeordnet werden, sie werden mit Ziffern und Buchstaben gekennzeichnet.

Es existieren verschiedene Varianten von PGA: 

• Beim Ceramic Pin Grid Array (CPGA) ist der Halbleiterchip auf einem wärmeleitenden Keramikträger fixiert. Verwendung findet es in der ersten Generation Intel-Pentium, Sockel-A-Varianten des AMD Athlon sowie der Duron-Familie.
• Beim Plastic Pin Grid Array (PPGA) besteht der Träger für den Halbleiterchip aus Plastik. Diese Variante ist etwas preiswerter, hat bessere thermische Eigenschaften und auch eine verbesserte elektrische Leistung als Keramik. PPGA wird vor allem bei den Pentium-MMX-Prozessoren und Celeron eingesetzt.
• Das Staggered Pin Grid Array (SPGA) zeichnet sich durch versetzte Anschlussreihen aus. Diese Variante wird für CPUs benötigt, die mehr als 200 Anschlüsse haben, da durch das versetzte Layout mehr Platz ist. Es wird beim Pentium und späteren Zentraleinheiten verwendet.
• Beim Flip-Chip Pin Grid Array (FCPGA) ist der integrierte Schaltkreis auf der Oberseite des Trägers befestigt („flip-chip“ bedeutet „umgedrehter, gewendeter Chip“). Diese Bauform wird beispielsweise in Pentium III und einigen Celeron-Prozessoren verwendet.

Da sich die Pins bei PGA auf der CPU befinden, sind auf dem Mainboard-Sockel die entsprechenden Löcher, sodass die CPU ohne großen Druck eingebaut werden kann.

Land Grid Array (LGA)

Das “Land Grid Array” (LGA) ist das genaue Gegenteil von PGA, denn die Kontaktpins befinden sich auf dem Sockel des Mainboards. Auf der CPU findet sich die gleiche Anzahl an Kontaktstellen, mit denen eine Verbindung hergestellt wird. Intel nutzt LGA schon seit vielen Jahren für den Großteil seiner Celeron, Pentium, Core und Xeon CPUs.

Vorteile von LGA sind zum einen die geringere Größe der Pins, durch die eine größere Anzahl von Pins auf der gleichen Fläche ermöglicht wird. Zum anderen werden diese nicht so leicht beschädigt, weil sie eben keine Pins haben, die zerdrückt werden können. Verglichen mit LGA, haben PGA-Sockel den Vorteil, dass das Mainboard eigentlich nicht beschädigt werden kann. Zudem lassen sich Pins einfacher auf einem PGA-Prozessor als auf einem LGA-Mainboard reparieren.

Ceramic Column Grid Array (CCGA)

Auch wenn es nichts mit Mini-PCs zu tun hat, wollen wir das Ceramic Column Grid Array (CCGA) der Vollständigkeit halber hier auch erwähnen. CCGA-Gehäuse sind äußerst zuverlässig und werden in der Raumfahrt sowie in der Militärtechnik eingesetzt. Die Lotanschlüsse auf der Unterseite des Gehäuses sind säulenartig (daher auch die Bezeichnung “column”, dt. “Säule”) und bestehen aus stark verbleitem Lot. Die Säulen werden, ähnlich wie bei BGA, in einem Gitter angeordnet. Im zivilen Markt können sie nicht eingesetzt werden, da sie wegen des hohen Bleianteils durch Handelsverbote der EU im Rahmen der RoHS-Richtlinien nicht erlaubt sind.

Gute Neuigkeiten für Linux-Fans: Freier Support für Nvidia Turing

Seit dem Erscheinen der Turing-Grafikkarten im Herbst 2018 arbeiten Linux-Entwickler von Nouveau, einer Sammlung von freien Linux-Treibern für Nvidia-Grafikkarten, daran mittels Reverse-Engineering passende Treiber zu erhalten. Das Problem dabei: Die Firmware ist signiert und kann nur von Nvidia bereitgestellt werden. Der Grafikkartenhersteller war jedoch bisher nicht bereit, seine Daten mit den Nouveau-Entwicklern zu teilen. Dies hat sich nun offenbar geändert und das Linux-Team arbeitet intensiv an Treibern für Hardware-Beschleunigung. Warum wir uns dafür interessieren? Nicht wenige spo-comm Kunden, die auf die KUMO-Serie für High-End Grafik-Anwendungen setzen, arbeiten mit Linux. Und das neueste Modell, der KUMO V mit einer dedizierten Nvidia-Turing-Grafikkarte steht schon in den Startlöchern und wird im Februar auf der ISE vorgestellt.

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Kein Support mehr: Das Ende von Windows 7

Wie bereits lange angekündigt, hat Microsoft am 14. Januar 2020 die letzten Sicherheitsupdates für Windows-7-SP1-Systeme herausgebracht. Folglich werden auch Hard- und Softwarehersteller das beliebte Betriebssystem in Zukunft nicht mehr unterstützen. Wer weiterhin mit Windows 7 arbeitet, setzt sich und seine Anwendungen hohen Sicherheitsrisiken aus, und sollte schnellstmöglich auf Windows 10 oder ein anderes Betriebssystem umsteigen. Sollte ein Umstieg in einer Firmenumgebung nicht möglich sein, bietet Microsofts Extended Security Update-Program (ESU) eine Möglichkeit. Bei heise.de finden sich weitere Infos.

Die interessante Alternative: Windows 10 IoT Enterprise

Wer auf der Suche nach dem passenden Betriebssystem ist und eine einfache, kostengünstige Softwarelösung sucht, die sich perfekt auf die jeweiligen Bedürfnisse anpassen lässt, findet mit Windows 10 IoT Enterprise vielleicht die perfekte Lösung. spo-comm bietet dies ab sofort in drei Varianten an: BASIC, ON und OFF. Mit dem BASIC-Paket, das keinen Aufpreis kostet, erhalten die Kunden ein unbearbeitetes Image in den Standardsprachen Deutsch und Englisch. Bei der ON-Variante ist die Anzeigesprache frei wählbar und der Updatestand wird von uns vierteljährlich auf den aktuellen Stand gebracht, sodass der Mini-PC nach Auslieferung für die Kunden sofort einsatzbereit ist. Wer sichergehen möchte, dass seine Anwendung problemlos läuft und ihr keine Updates in die Quere kommen, wählt das OFF-Paket. Hier sind die Updates komplett deaktiviert, die Sprache ist ebenfalls frei wählbar. Zudem werden bei den beiden letztgenannten Varianten Programme wie Cortana, OneDrive und XBOX-Network, die für den Großteil der industriellen Anwendungen nicht benötigt werden, direkt entfernt.