Embedded-PC Universeller Display-Controller für raue Umgebungen

Wie entwickelt man einen lüfterlosen Embedded-PC mit hoher Grafikleistung und innovativem Kühlkonzept für den erweiterten Temperaturbereich, der auch noch robust sein soll?

Anbieter zum Thema

ACTRON AG

ISH Ingenieursozietät GmbH

congatec GmbH

KWS Computersysteme GmbH

ibw Industrieberatung Siegfried Weigert

Die Anforderungen an moderne Bedienterminals steigen ständig. Begnügte sich die Industrie in der Vergangenheit mit einfachen Matrixanzeigen und niedrigen Auflösungen bis VGA so erwarten die Anwender heutzutage hochauflösende Displays mit komplexen Touch-Funktionen.

Ähnlich wie vor Jahrzehnten Windows die Benutzeroberfläche von Personal Computern revolutionierte prägen heutzutage die aufwändigen grafischen Benutzeroberflächen von Tablet-Computern (Pads) und Mobiltelefonen die Ansprüche auch von industriellen Computeranwendern. Große Displays sind bezahlbar geworden und Visualisierungen werden immer komplexer. Dementsprechend leistungshungrig sind inzwischen viele Applikationen und verlangen nach aufwändigen Grafiklösungen mit eigenen Grafik-Coprozessoren mit 2-D- und teilweise sogar 3-D- Unterstützung.

Derartige Systeme sind aber speziell in der x86-Welt ausgesprochen leistungshungrig und produzieren viel Abwärme. So liegen entsprechende Lösungen mit Intels Core-i-Systemen selbst in den teureren Low-Power-Versionen bei einer Leistungsaufnahme von mehr als 25 Watt. Damit ist aber eine passive Kühlung bei einem kompakten Design mit geringem Aufwand kaum mehr möglich.

Muss es unbedingt ein lüfterloses Design sein?

Aktuelle HD-fähige Atom-Systeme, z.B. mit dem USW15-Chipsatz, schaffen es zwar teilweise, die magische 10-Watt-Grenze zu unterschreiten, sind aber bezüglich ihrer Grafik- und Rechenleistung schon sehr deutlich eingeschränkt, 3-D-Fähigkeiten sind hier kaum vorhanden. Aber muss es denn unbedingt ein lüfterloses Design sein? Bei vielen Anwendungen lautet die Antwort ja, denn oft ist ein passives Kühlkonzept schon aus Gründen der Zuverlässigkeit oder der erforderlichen Kapselung für Schutzklassen von IP54 oder höher zwingend erforderlich.

Eine Lösung für dieses Dilemma bietet seit dem vergangenen Jahr die Firma AMD mit ihrem Fusion-Konzept an. Ihre Embedded-Prozessoren der T-Serie verfügen über eine hohe Grafikleistung, sind als Single- oder Dual-Core-Prozessoren von 1,0 bis 1,7 GHz bzw. mit 6,5 bis 18 W TDP (Thermal Design Power) weit skalierbar und schließen so die Leistungslücke zwischen Intels Atom- und Core-i-Familien.

Als Besonderheit können die parallelen Grafik-Engines dieser Prozessoren mit einer eigenen Programmiersprache (OpenCL) programmiert werden und so die eigentliche CPU bei rechenintensiven Aufgaben weiter entlasten. Ähnlich wie die Intel-Prozessoren der Core-i-Familie verfügen auch die Highend-Prozessoren der AMD T-Serie über einen Turbo-Modus, bei dem Prozessor- und Grafikkerne kurzfristig übertaktet werden können, solange sich die Temperatur nicht im kritischen Bereich bewegt.

Neuartiges Verfahren für die thermische Ankoppelung

Damit verschiebt sich aber auch die Aufgabenstellung für die Kühlung. Wichtig ist nicht nur, die erzeugte Wärme als Ganzes abzuführen, sondern auch kurzfristige Leistungsspitzen schnell abzufangen damit der Turbo nicht zurückschaltet. Ein zusätzliches Problem aktueller Hardwarekonzepte ist, dass die abzuführende Leistung an sich nicht so besonders hoch ist, sich aber auf eine Anzahl lokaler Hitzequellen (Hot Spots) verteilt, von denen sie schnell abgeleitet werden muss. Für einzelne Wärmequellen wie den CPU-Chip erreicht man dies am einfachsten durch daran angebrachte größere thermische Kapazitäten. Wesentlich aufwändiger wird es, wenn viele Hot Spots, wie z.B. Spannungsregler und Companion-Chip, thermisch effizient angebunden werden sollen.

Der universelle Display-Controller u!dic von KWS Computersysteme verwendet dazu ein neues Konzept. Der CPU-Chip wird konventionell über ein Koppelmedium (Grafitpaste) direkt an den Metalldeckel angekoppelt. Dazu wird der CPU-Chip beim Layout exakt mittig auf der Leiterplatte platziert und durch eine kontrollierte Durchbiegung der Leiterplatte von rund 0,5 mm bei der Montage genau definiert angepresst. Dies erfolgt durch den Druck einer entsprechenden, erhabenen Kontaktfläche des konturgefrästen Deckels des Metallgehäuses.

(ID:32580740)