Hva du kan skvise ut av 15W

Utviklere av robuste IoT- og innvevde systemer får aldri brukt det ypperste av de nyeste prosessorteknologiene. Grensen for vifteløse design er ofte den “magiske” 15 watt TDP terskelen. Hva kan 6. generasjon Intel Core prosessorer tilby i denne ytelsesklassen, og hvordan kan utfordringene rundt termisk design håndteres?

Vifteløse design
Avanserte IoT- og innvevde systemer utviklet for industrielle applikasjoner kan integrere kun et spesifikt utvalg av nye prosessorteknologier. I praksis er de bare egnet for tøff hverdagsbruk dersom de er designet uten vifter. Dette øker påliteligheten i røffe omgivelser, der de skal tåle støt og vibrasjoner, og sikrer at de forblir vedlikeholdsfri selv etter årevis med kontinuerlig bruk. Uten behov for jevnlig utskifting av vifter og filtere, kan kundene dra nytte av lavere driftsutgifter samtidig som både planlagt og uforutsett nedetid for applikasjonene også reduseres.

Røffe anvendelser
En annen fordel er at vifteløse design kan forsegles hermetisk. Dette garanterer optimal beskyttelse mot støv og fuktighet, noe som er essensielt i nærmest enhver industriell applikasjon. Sist, men ikke minst betyr null vifte også null støy. Dette er ideelt for enheter som benyttes i umiddelbar nærhet av mennesker, for eksempel medisinske enheter i intensivsykepleie, i en intensivbehandlingsenhet, i et profesjonelt opptaksstudio eller en test- og metrologilab. Det er mange grunner som taler til fordel for vifteløse design.

Grense på 15W
Vifteløse systemer er relativt enkle å implementere med prosessorer som forbruker mindre enn 10 watt. For tiden ligger grensen for når vifteløse design er mulig, på rundt 15 watt TDP. De som utvikler innvevde- og IoT-systemer arbeider rundt denne grensen for å få mest mulig ut av deres vifteløse, avanserte applikasjoner og oppnå nye, konkurransedyktige fordeler. Listen over applikasjoner omfatter blant annet:

• Virtualiserte IPCer (industrielle PCer)  med styring og HMI i ett system
• Bilde- og videoprosesseringssystemer innen automatiserings- og sikkerhetsteknologi
• Industrielle kontrollrom med flere skjermer og feltkommunikasjon
• Profesjonelt lyd- og videoutstyr
• High-end Digital skilting og Digital Out of Home (DOOH) reklame
• Medisinsk bildebehandlingsutstyr (CT, MRI, X-ray, osv.) og arbeidsstasjoner for endoskopi
• Metrologisystem som skifter fra DSP teknologi til GPGPU
• Autonom kjøretøystyring og dataassistert situasjonsanalyse
• Profesjonelle flerskjerms spillmaskiner
• Grafikk-rike systemer som krever høyfrekvens 4K visualisering
• Applikasjoner med vifter som krever utskifting på grunn av kost eller tilgjengelighet 

I tillegg krever disse og mange andre systemer implementering av IoT- og Industry 4.0 tilkopling. Begge krever ekstra dataprosesserings- og kommunikasjonsmuligheter – inkludert kryptering og virusbeskyttelse. Dette kan øke etterspørselen etter datakraft ganske betydelig. For applikasjoner som er designet på grensen av hva som er mulig i vifteløse systemer, vil enhver ytelsesøkning for den gitte termiske rammen derfor være svært velkommen.

Den nye Core-generasjonen
Den nyeste prosessorplattformen på markedet er 6. generasjon av Intel Core i7 / i5 / i3 prosessorene.  Disse kommer i et meget bredt spekter, fra noen få watt og opptil 91 W. La oss ta en titt på hva den 15W versjonen har å tilby, fordi bare disse tillater utvikling av et avansert vifteløst system på industrinivå.

Referansetester for denne spesifikke ytelsesklassen er fortsatt ikke tilgjengelig. Imidlertid er det relativt trygt å anta at fremskrittene som er gjort i SoC-segmentet av denne prosessorgenerasjonen kan sammenlignes med tilsvarende for bordmaskinvariantene som krever aktive vifter. Intel hevder at de nye Core-prosessorene, sammenlignet med fem år eldre plattformer, gir opptil 2,5 ganger mer prosesseringskraft, 30 ganger bedre 3D grafikkytelse og 3 ganger lengre batterilevetid. Sammenlignet med 5. generasjon (med kodenavnet Broadwell), er det en estimert økning på omkring 10% i grafikk- og prosesseringsytelse, og 11% i energieffektivitet.

Høyere ytelse
Årsakene til denne ytelsesøkningen ligger i den krympede, 14 nm produksjonsprosessen og den fullstendig reviderte Skylake mikroarkitekturen. Dette omfatter en optimalisert matrise som forbinder CPU-kjerner, grafikkenhet og last level cache (tidligere L3 cache) via en ringbussarkitektur. ULV SoC versjonene som er relevant for 15 W design inkluderer også systemagenten som integrerer skjerm-, lagrings- og I/O-kontrollere. Den nye, såkalte Intel Speed Shift teknologien skal videre sikre raskere svitsjing mellom effekttilstander, noe som leder til ytelsesforbedringer på mellom 20% og 45% sammenlignet med Intel Core prosessorene fra 5. generasjon. Samtidig senkes effektforbruket.

For å oppnå ytterligere energieffektivitet har Intel redusert SoC’ens forsyningsspenninger og forbedret kraftfordelingen til de individuelle funksjonsblokkenes. Dette reduserer effektdissipering, og funksjonsblokkene kan reagere mer effektivt på individuelle ytelsesbehov. I tillegg åpner dette for utvidet bruk av såkalt turbo boost, slik at applikasjoner bedre kan håndtere toppbelastninger.

Intel Gen9 grafikk
Grafikkenheten, som er blitt optimalisert for Windows 10 og er integrert i den nye, 9. generasjon 15 W SoC som Intel graphics 500, kan nå også tilby bedre ytelse. Den kan støtte opp til tre uavhengige 4k skjermer med 60 Hz refroppfriskingsfrekvens via DisplayPort 1.2. Også HDMI 1.4 støttes i denne versjonen, og DirectX 12 sikrer enda raskere 3D grafikk under Windows 10. Videre er en ekstra videomaskin integrert. Dette muliggjør koding og dekoding av HEVC, VP8, VP9 og VDENC video med  minimal CPU-belastning, og lavere effektforbruk. For første gang er det nå mulig å HD video effektivt i begge retninger, dvs. både oppstrøms og nedstrøms. Med 24 eksekveringsenheter og støtte for OpenCL 2.0, kan GT2 520-grafikken i ULV-prosessorene også frigjøre CPUen fra prosesseringsintensive parallelle oppgaver.

Raskere RAM
En annen ny egenskap er støtte for DDR4 RAM. Dette bringer med seg flere forbedringer: For det første gir det en mye høyere båndbredde og arbeider raskere; for det andre, er det ved 1.2 volt også mer energieffektivt enn dagens 1.35 V DDR3 RAM. I tillegg er det nå mulig, takket være en dobling av minnetettheten, mulig å oppnå 32 GB arbeidsminne med to RAM-porter. Dette er et enormt pluss for mange avanserte innvevde systemer, og antagelig det viktigste argumentet for mange systemdesignere for å oppgradere til den nye generasjonen så snart som mulig.

Den 6. generasjonen Intel Core prosessorer ivaretar de høye I/O-kravene til mange avanserte IoT- og innvevde systemer, ved å tilby flere høyhastighets I/O. SoC-versjonene med PCI Express Gen 3.0 tilbyr nesten en dobling av datahastighetene. Den nye prosessorgenerasjonen tilbyr også dobbelt så mange USB 3.0 grensesnitt (nå 4) enn sine forgjengere. Takket være tilgjengeligheten av et CSI MIPI-2 kameragrensesnitt, som for første gang integrerer en Image Signal Processor (ISP), kan bildene fra sensorene prosesseres i sanntid og meget energieffektivt, uten å blande inn CPUen.

De tre første innvevde, 15 W SoCene i den 6. generasjonen Intel Core plattform er to-kjerneprosessorene Intel Core i7-6600U, Intel Core i5-6300U og Intel Core i3-6100U med støtte for hypertråding.

COM Express Compact
15 watt TDP IoT- og innvevde design er ideelle for små formfaktorer (SFF). Dersom det kreves et kundetilpasset sett med grensesnitt, som kan være tilfellet i mange SFF-design, er datamaskinmoduler (Computer-on-Modules) det beste valget. Den såkalte PICMG COM Express spesifikasjonen er utviklet spesielt for det mer avanserte segmentet. I design der plassen er begrenset, er COM Express Compact formfaktor hyppig benyttet. Den tilbyr et kompakt fotavtrykk på kun 95 x 95 mm og inkluderer samtidig to toraders OFM-kontakter med 440 pinner for ulike høyhastighets grensesnitt. I tillegg er COM Express optimalisert for grensesnittene til standard PCer og møter de høyeste krav til robusthet, på grunn av den stabile tilkoplingen til de applikasjonsspesifikke bærerkortet. I mange tilfeller er det spesifikt de vifteløse, avanserte designene som baserer seg på COM Express Compact, spesielt når det standard funksjonssettet til Mini-ITX moderkort ikke møter designkravene, eller når plassen i applikasjonen er begrenset.

Systemdesign vs prosessor?
Individuelle systemdesign vil alltid utfordre designingeniørene på noen sentrale spørsmål: Er mitt systemdesign egentlig egnet for den valgte prosessoren, eller omvendt? Vil jeg være i stand til å operere systemet over lang tid og uten overoppheting, eller vil applikasjonen få systemet til å knele når det kommer til belastningstopper? Det er essensielt å sikre at designet ikke overoppheter prosessoren, ettersom dette vil forkorte tjenestetiden eller føre til ekstremt tidlig feilfunksjon. Heldigvis fins det nå spesielt to faktorer som gjør det enklere for utviklerne å balansere maskinvaredesign, prosessor og applikasjonskrav og å utvikle applikasjoner som virkelig når grensene for hva som er mulig innenfor TDP på 15 W.

Konfigurerbar TDP
Den første faktoren er den konfigurerbare TDP for prosessoren (CTDP); den andre faktoren er tilgjengeligheten av vifteløse kjøleløsninger som vil passe godt for datamodulen og prosessoren. Disse to faktorene gjør det mulig å optimalisere designet steg for steg, for å møte kravene i et gitt maskinvaredesign og applikasjon. De nye 15 W SoC prosessorene er konfigurerbare fra 7.5 til 15 W. Dersom applikasjonen er troendes til å overopphete systemet i visse situasjoner, er det mulig å minimalisere varmgangen på visse punkter, ved å begrense den maksimale varmeproduksjonen, slik at systemet alltid holder seg innenfor det tillatte termiske området. En annen mulighet er å bruke varianter med kjøleflens der det tilbys ulike kjølekonsepter for et tilsvarende fotavtrykk.

Kjøling med samme størrelse
Ettersom spesifikasjonene for PICMG COM Express tillater designerne å begrense høyden på varmesprederen, er det mulig å utvikle kjøleflensløsninger med et identisk fotavtrykk, som gir andre muligheter. Disse kan spenne fra enkle innvevde kjøleflenser med finner, til kjøleflenser med forbindelse til kapslingen, eller høy-ytelses kjølere med kombinert varmeleder- og varmesprederteknologi. For fullstendig lukkede design som må utnytte de 15 W maksimalt, anbefales systemintern konveksjon; en annen mulighet er å forbinde kjøleflensen til den ytre kapslingen.

Det blir enklere!
Tilgjengeligheten av konfigurerbar TDP sammen med startsett som tilbyr fleksible varianter av kjøleflenser, vil gjøre systemutviklere i stand til å lykkes raskere enn med prøve- og feileforsøk med systemdesign og innkapsling. Den nye generasjonen Intel Core prosessorer vil gjøre termisk design langt enklere for fremtiden. OEM-utviklere vil likevel fortsatt møte spørsmål som vil kreve direkte tilgang til ekspertisen som modulleverandørene sitter på. Det vil være en betydelig fordel dersom produsenten har definert en transparent prosess som garanterer personlig støtte, og som gjør det unødvendig å måtte gå fra start til mål og forklare problemene om igjen hver gang.