Zen-Core-Architektur für Embedded-SoCs

AMD sticht Intel bei IOT aus

| Autor / Redakteur: Michael Eckstein / Rainer Graefen

Alles drin, alles dran: AMDs neue Ryzen-Embedded-V1000-APU kombiniert die Zen-Prozessorarchitektur mit der Radeon-Vega-Grafik.
Alles drin, alles dran: AMDs neue Ryzen-Embedded-V1000-APU kombiniert die Zen-Prozessorarchitektur mit der Radeon-Vega-Grafik. (Bild: AMD)

„Wir läuten ein neues Zeitalter im Embedded-Processing ein!“: Mit einem neuen, schlagkräftigen Prozessor-Portfolio will der US-Chiphersteller AMD den Embedded-Markt aufmischen.

AMD hat auf einem Launch-Event in London zwei neue Produktfamilien für Embedded-Anwendungen vorgestellt: „Epyc Embedded 3000“ und „Ryzen Embedded V1000“. Dabei handelt es sich um System-on-a-Chip-Bausteine ohne und mit integrierter Grafikeinheit (Accelerated Processing Units, APU). Nach eigenen Worten will AMD damit nichts weniger als ein neues Zeitalter im Embedded-Processing einläuten.

Basis der neuen SoCs ist die leistungsfähige Zen-Architektur. Diese Ende 2016 eingeführte x86-64-Architektur hatte AMD mit dem Ryzen Threadripper-Desktop-Prozessor erstmals seit über zehn Jahren wieder auf Augenhöhe mit Prozessor-Primus Intel katapultiert. Die Prozessoren verhalfen dem Unternehmen zu einem kräftigen Wachstumsschub; im letzten Geschäftsjahr konnte AMD endlich wieder schwarze Zahlen schreiben.

SoC-Angebot für ganz unterschiedliche Embedded-Applikationen

Nun will der Chiphersteller seine Position im Embedded-Markt ausbauen und auch in neue Bereiche vordringen. Die Basis hatte das Unternehmen 2011 mit seiner Fusion-Embedded-APU (Application Processing Unit) gelegt. Damals konnte AMD bei vielen Systemherstellern punkten: Intel hatte seine Pentium-M- und Celeron-M-Embedded-Prozessoren abgekündigt, und die nachfolgenden Atom-Chips boten für viele Applikationen nicht genügend Rechenleistung. Die AMD-Fusion-SoCs passten genau in die entstandene Lücke.

Die neuen „Epyc Embedded 3000“-Prozessoren zielen auf Anwendungen wie SDN (Software Defined Network), NFV (Network Function Virtualization), Storage und Edge-Computing, während sich die „Ryzen Embedded V1000“-APU-Serie mit ihrer starken integrierten Grafik für Applikationen wie medizinische Bildgebung, industrielle Bildverarbeitung, Gaming und Thin Clients eignen. AMD garantiert eine mindestens 10-jährige Verfügbarkeit seiner neuen Embedded-SoCs. „Da die Chips auch auf industrielle Anwendungen abzielen, sind sie für einen erweiterten Temperaturbereich von -40 °C bis +125 °C ausgelegt“, erklärt Steven Turnbull, Director of Product Marketing des „Datacenter and Embedded Solutions“-Geschäftsbereichs von AMD.

Auf Balance von Performance und Stromverbrauch ausgelegt

Die Prozessoren der Epyc Embedded 3000-Familie verfügen über 4 bis 16 Kerne. Sie sind in Single-Thread- oder Multithread-Konfigurationen erhältlich. Die maximale Leistungsaufnahme liegt je nach Modell zwischen 30 und 100 W. Für gute Erweiterbarkeit sorgen bis zu 64 PCIe-Lanes und bis zu acht 10-Gigabit-Ethernet-Schnittstellen. Maximal 32 MByte Cache und 4 unabhängige Speicherkanäle ermöglichen hohen Datendurchsatz. Bis zu 1 TByte RAM können die SoCs ansprechen.

Die neuen Ryzen-APUs kombinieren die Zen-Core-Architektur mit der hauseigenen Radeon-Vega-Grafikarchitektur. Die Einchip-Lösung macht in vielen Fällen den Einsatz einer dedizierten Grafikkarte überflüssig. Mit ihren vier CPU-Kernen können die APUs acht Threads bearbeiten. Im Zusammenspiel mit bis zu 11 GPU-Einheiten sollen die APUs eine Rechenleistung von bis zu 3,6 TFLOPS erreichen. Dabei verbrauchen sie maximal 54 W. Die schwächsten Modelle haben eine Thermal Design Power (TDP) von 12 W. Mit der Außenwelt kommunizieren die Chips über ein breites Spektrum an Schnittstellen, darunter 16 PCIe-Lanes, zwei Gigabit-Ethernet-Links sowie bis zu vier USB 3.1/USB-C-Interfaces mit SATA und NVMe-Unterstützung.

Selbst Intel setzt mittlerweile auf die Radeon-Vega-Grafik von AMD

Die bekannt leistungsfähige Vega-Grafik kann maximal vier unabhängige Displays mit voller 4K-Auflösung und 60 Hz ansteuern. Sogar 5K-Auflösungen sollen möglich sein – und damit eine besonders detailreiche Darstellung. Laut AMD beherrschen die APUs H.265-De- und Encodierung sowie VP9-Decodierung. Pikantes Detail am Rand: Erzkonkurrent Intel setzt die AMD-Vega-Grafik-Engine seit Anfang 2018 in eigenen Prozessoren ein.

Als Hauptspeicher kommt Dual-Channel-DDR4-RAM mit 64 Bit zum Einsatz, mit dem die Chips einen Datendurchsatz von 3200 MT/s erreichen sollen. „Das Verschmelzen von Zen und Vega ergibt eine außergewöhnlich leistungsfähige und gleichzeitig energieeffiziente Single-Chip-Lösung“, erläutert Scot Aylor, Corporate Vice President und General Manager des „Datacenter and Embedded Solutions“-Geschäftsbereichs von AMD. Und fügt selbstbewusst hinzu: „Damit läuten wir ein neues Zeitalter für Embedded Prozessoren ein.“ Damit das gelingt, hat sich AMD die Unterstützung von bedeutenden Unternehmen für sein Embedded-Ökosystem gesichert. Dazu zählen beispielsweise iBase und Mentor.

Umfassende Hardware-Security-Funktionen

Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung der neuen Embedded-Chips war nach Aussage von Steven Turnbull hardwareseitig integrierte Security. So warten die Chips mit einem Novum bei Mikroprozessoren auf: Jeder Memory-Controller ist mit einem dedizierten Modul zur Verschlüsselung ausgestattet. In den Speicher gelangen so nur kodierte Daten. Dieses Secure Memory Encryption (SME) soll nicht autorisierte physikalische Speicherzugriffe verhindern, während Secure Encrypted Virtualization (SEV) auch den Speicher virtueller Maschinen (VM) verschlüsselt. „Dafür sind keine Änderungen auf Applikationsebene erforderlich“, erlärt Turnbull . Dem Secure-Chip stehen hardware-validierte Boot-Funktionen zur Seite. Diese sorgen laut Turnbull dafür, dass Systeme nur vertrauenswürdige Software booten.

Wie Intel- und ARM- sind auch AMD-Prozessoren grundsätzlich über die Ende letzten Jahres aufgedeckte Seitenkanal-Attacke „Spectre“ angreifbar. Das gilt auch für die neuen Embedded-Prozessoren. Denn die Zen-Architektur hat AMD vor dem Aufdecken der systemimmanenten Architekturschwäche entwickelt. Allerdings sei es in der Praxis so gut wie unmöglich, diese Designschwächen für Angriffe auszunutzen, erklärt Halstead. 2019 soll mit Zen 2 eine verbesserte Architektur folgen, die das Problem hardwareseitig schließlich behebt.

Apps, die im Core laufen, laufen auch im Edge

Stolz ist man bei AMD auf die durchgängige Software-Kompatibilität über die gesamte Modellpalette hinweg. Da die Prozessoren auf identischen Dies basieren – in den schwächeren Modellen sind lediglich einige Funktionen abgeschaltet, zudem verfügen sie über weniger Kerne – lassen sich einmal programmierte Apps sowohl auf den Server-Prozessoren im Datenzentrum als auch auf dem Edge-Computer zum Beispiel in einer Basisstation betreiben. „Im Core laufen die Programme lediglich schneller, da die Prozessoren leistungsfähiger sind“, sagt Martin Halstead von Hewlett Packard Enterprise, HPE Telco Server Business Development.

Dadurch sei es beispielsweise innerhalb einer Mobilfunk-Infrastruktur möglich, je nach Bedarf und Anforderung eine Firewall oder Deep-Packet-Inspection mal im zentralen Rechenzentrum, mal in der Basisstation zu aktivieren. „So gewinnt man eine enorme Flexibilität und kann die Hardware optimal ausnutzen“, freut sich Halstead.

Leistungswerte dürften Intel Kopfschmerzen bereiten

Glaubt man AMD, kann sich die Konkurrenz warm anziehen. So sollen die mit maximal 3,1 GHz taktenden Epyc Embedded 3000 eine bis zu 2,7x höhere Performance pro Dollar und eine 50 Prozent höhere Rechenleistung bieten als die direkte Konkurrenz – in diesem Fall Intels Xeon D 154x. Die Konnektivität, also die Zahl der Anschlussmöglichkeiten, liege doppelt so hoch, sagt Steven Turnbull.

Er gibt an, dass die „Ryzen Embedded V1000“-APUs bis zu doppelt so schnell wie die Vorgängermodelle sind und eine rund dreimal mal so hohe GPU-Leistung wie Konkurrenzprodukte liefern, etwa Intels HD 630. Die Multithread-Performance liege bis zu 46 Prozent höher, während die Chips bis zu einem Viertel weniger Platz auf der Platine benötigen.

Die Angaben lassen sich nicht ohne weiteres verifizieren. Allerdings bestätigten die am Launch-Event vertretenen Lösungsanbieter die hohe Leistungsfähigkeit der AMD-Embedded-SoCs. Dazu zählt der italienische Medizintechnik-Hersteller Esaote: „Für unser neues Ultraschallgerät setzen wir den Ryzen Embedded V1000 ein. Eine separate Grafikkarte benötigen wir nicht mehr“, sagte Andrej Dvorak, Chief Technical Officer des Unternehmens im Gespräch mit ELEKTRONIKPRAXIS. Dadurch habe sich das Design gegenüber früheren Modellen stark vereinfacht.

Durch die schnellen Infinity-Bus-Verbindungen zwischen Prozessorkern und Grafikeinheiten erreiche das SoC eine hohe Grafikleistung und sei auch für anspruchsvolle grafische Aufgaben gerüstet. Dass das neue Ultraschallgerät schon bald auf den Markt kommen könne, sie auch ein Verdienst von AMD: „Beim Eindesignen haben uns AMD-FAEs direkt unterstützt. So konnten wir die Entwicklungsdauer erheblich verkürzen“, freut sich Dvorak.

* Diesen Beitrag haben wir von unserem Partnerportal Elektronik Praxis übernommen.

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