IoT-Lösungsdesign Warum Embedded-Ökosysteme immer wichtiger werden

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Lösungen des Internet of Things verlangen nach immer mehr Leistung und Flexibilität bei immer geringerer Größe. Viele Anwendungen wie Wearables müssen zudem lange energiesparend arbeiten ohne zusätzliche Kühlung.

Der Markt für Embedded-Lösungen hat sich dank der Ausweitung des IoT (Internet of Things/Internet der Dinge) in den letzten zehn Jahren immens weiterentwickelt. Immer anspruchsvollere Geräte treiben Innovationen bei Embedded-Hard- und Softwareangeboten voran. Zudem steigt die Zahl energiesparender Anwendungen wie Wearables, die über längere Zeiträume mit Batteriestrom betrieben werden können, ohne dass eine forcierte Kühlung erforderlich ist.

Lösungsentwickler müssen in einem solch dynamischen Umfeld immer rascher Entscheidungen treffen. Darüber hinaus wird die Relevanz eines eingebetteten Ökosystems immer wichtiger, das den Entwicklungsaufwand effizient reduziert, um enge Fristen und Kostenvorgaben einzuhalten. Wie all dies gelingen kann, erläutert dieser Beitrag.

Das Internet of Things als Innovationstreiber für Embedded-Systeme

Der globale IoT-Markt wächst weiterhin rapide und wird dabei angetrieben von Faktoren wie dem Zugang zu kostengünstiger, energiesparender Sensortechnologie, der Verfügbarkeit von Hochgeschwindigkeitsverbindungen, der Nutzung der Cloud sowie der zunehmenden Verwendung von Datenverarbeitung und KI-basierter Analytik. Entwickler verwenden diese Technologien, um innovative Anwendungen zu entwickeln, etwa fortschrittliche Wear­ables, mobile Systeme im Verbraucher- und Medizinbereich, autonome Automobile und Werksautomatisierungssysteme. Auf diesem dynamischen Markt lassen sich mehrere Trends erkennen, unter anderem:

• Die zunehmende Verfügbarkeit von energiesparenden Halbleitervorrichtungen erlaubt eine breite Produktpalette an kostengünstigen Sensoren, die über längere Zeiträume mit Batteriestrom funktionieren können.

• Sensoren werden mit steigender Rechenleistung immer intelligenter. Viele Geräte am Netzwerkrand (Edge) können Sensoranordnungen steuern, deren Daten erfassen und vorverarbeiten.

• Anspruchsvolle Software, die früher auf leistungsstarke Server in der Cloud limitiert war, kann nun auf diesen Geräten am Edge gehostet werden. Edge Computing bringt die Datenverarbeitung und -speicherung näher an die Datenquellen heran und reduziert die mit dem Internet und den darin fließenden Datenmengen verbundenen Latenzzeiten.

• Die neu entstehenden Cloud-Edge-Architekturen ermöglichen es den Server-Ressourcen, zwischen der Cloud und den Endgeräten verteilt und ausgetauscht zu werden und unterstützen die sich weiter entwickelnde wachsende Fähigkeit von IoT-Anwendungen, KI-Techniken durch ML-Modelle zu nutzen, die am Rande des Netzwerks laufen.

• OEMs (Erstausrüster und Originalgerätehersteller) nutzen zunehmend gewinnbringend die von ihren Geräten generierten Daten, indem sie KI-basierte Anwendungen verwenden, um Mehrwert-Dienste wie die präventive Wartung im Automobil- und Industriesektor zu entwickeln.

• Da viele geschäftskritische Prozesse von den Daten abhängen, die von einer wachsenden Zahl von IoT-Endpunkten erzeugt werden, ist Cybersicherheit zu einem wichtigen Thema geworden. Jeder Endpunkt stellt einen potenziellen Eintrittspunkt für einen bösartigen Angriff dar, der das Verhalten einer Anwendung mit potenziell katastrophalen Folgen verändern kann. Wirksame Sicherheitsmaßnahmen umfassen den gesamten Software-Stack. Sie beginnen mit sicheren Bootstrap-Prozessen und umfassen gesicherte Betriebssysteme, sichere Cloud-Konnektivität und sichere OTA-Strategien. Es gibt verschiedene Sicherheitsstandards wie ETSI EN 303 645 und ETSI TS 103, um den Entwickler bei der Implementierung effektiver Sicherheitslösungen zu unterstützen. Zudem bietet das europäische Cybersicherheitsgesetz einen Cybersicherheitsrahmen für diese Produkte.

Dieses Voranschreiten des Internet of Things hat zu einer entsprechenden Entwicklung der Embedded-Technologie geführt, also zu der Hardware, den Softwaretechnologien und den unterstützenden Tools, welche die genannten Innovationen unterstützen. Wir analysieren im Folgenden, was die Embedded-Technologie bieten muss, um diese Anforderungen zu erfüllen.

Die Entwicklung der Embedded-Verarbeitung

Eingebettete Systeme umfassen kostengünstige und energiesparende Anwendungsprozessoren, die in mechanische oder elektrische Systeme eingebettet sind und Daten von diesen physischen Geräten sammeln, damit ein Benutzer intelligente Entscheidungen treffen und die Resultate an die physischen Geräte zurückgeben kann. Diese Basisbeschreibung umfasst ein komplexes Hardware- und Softwareumfeld, das sich ständig weiterentwickelt, um die oben genannten Anforderungen zu erfüllen.

Beispielsweise befindet sich die klassische Zuordnung von Prozessorarchitekturen zu Anwendungsbereichen derzeit im Wandel: Die seit langem bewährte Logik von ARM-Cortex-basierenden Geräten für leistungsschwache eingebettete Anwendungen und X86 für leistungsstärkere Client- und Servergeräte befindet sich im Umbruch, da die Leistung von ARM-basierenden Geräteserien wie der QCS5430/6490 von Qualcomm und der Genio 510/700 von Mediatek den X86-Geräten nahe kommt.

Zudem sind moderne ARM-Geräte wie der i.MX8MPlus von NXP, der Genio 510/700 und der QCS5430/6490 mit neuronalen Beschleunigern ausgestattet, die ein schnelles Inferenzverfahren ermöglichen. Arm-Geräte sind daher in zunehmendem Maße für den Einsatz in hochleistungsfähigen KI-Anwendungen am Netzwerkrand attraktiv. Gleichzeitig existiert eine beträchtliche Menge an vorgefertigter X86-Software, die mit ARM-Architekturen nicht effektiv genutzt werden kann. Die Entscheidung für eine ARM- oder X86-Architektur hängt damit nicht nur von der spezifischen Anwendung ab, sondern auch von der internen Entwicklungskompetenz und den vorhandenen Software-Investitionen.

Der Einsatz von IoT-Hardwarelösungen wird vereinfacht, da Unternehmen wie Seco die neuesten System-on-Chip-Geräte (SoC) von Herstellern wie Qualcomm, MediaTek, NXP und Intel auf architektur-agnostische Weise in Computer-on-Modules (COM) integrieren. Durch Integration des SoC mit Funktionen wie DRAM, Boot-Flash, Spannungsverteilung und Kommunikationsschnittstellen werden COMs zusammen mit anwendungsspezifischen Träger-Boards eingesetzt, die vom Kunden definierte Funktionalitäten enthalten. Durch den Einsatz eines COM-Systems wird der Entwicklungszyklus beschleunigt, da sich der Entwickler auf die Anwendung konzentrieren kann, während er sich um das Hardware-Design kümmert. Die mit dem COM-Konzept erzielbaren Skalenvorteile verbessern auch die Gewinnspannen. Zudem werdem die Entwicklungsrisiken durch den Einsatz zuverlässiger, getesteter Lösungen gesenkt. COMs ermöglichen außerdem das Second Sourcing von Hardware und unterstützen die Skalierbarkeit über eine Prozessor-Familie, über Prozessor-Anbieter und sogar über Architekturen (ARM Cortex oder x86) hinaus.

Mehrere Standards haben sich durchgesetzt, um die Interoperabilität von COM-Produkten zu gewährleisten. Dazu zählen SMARC, COM Express und COM-HPC. SMARC-Module machten im Jahr 2022 etwa 15 Prozent des COM-Marktes mit einem Volumen von 1 Mrd. USD aus, und der Standard gilt für das Marktsegment mit geringem Stromverbrauch (Low-Power-End). Mit einem typischen Leistungsbedarf im Bereich von wenigen Watt basieren die SMARC-Module üblicherweise auf ARM-Prozessoren. Sie können jedoch auch mit anderen energiesparenden SoC-Architekturen, einschließlich X86, ausgestattet werden. Der SMARC-Standard präzisiert die physikalischen Eigenschaften des COM. Dieser standardisierte Formfaktor gewährleistet die Zukunftssicherheit eines Produkts. Durch den Austausch der COMs kann das Produkt während seines Lebenszyklus aufgerüstet werden, um die Vorteile zukünftiger Funktionalitäten nutzen zu können.

COMs wie das SOM-SMARC-Genio700 und das SOM-SMARC-Genio510 von Seco sind die ideale Wahl für den Aufbau von eingebetteten Lösungen. Basierend auf Mediateks neuen Anwendungs-Prozessoren Genio 510/700 zielen diese leistungsstarken Ergänzungen zu Secos umfangreicher SMARC-Familie auf industrielle IoT-Anwendungen ab, die hohe Leistung und geringen Energieverbrauch verlangen. Während der Genio510-Prozessor beeindruckende Rechenleistung zu einem attraktiven Preis bietet, ermöglicht der Genio700 mit zwei zusätzlichen Cores noch mehr Leistung für Anwendungen mit höherer Arbeitsauslastung.

Des Weiteren optimieren die COMs SOM-SMARC-QCS5430 und SOM-SMARC-QCS6490 den Zugang zu Qualcomms leistungsstärkeren SoCs QCS5430 und 6490. Diese COMs unterstützen rechenintensive und geräteinterne maschinelle Lernanwendungen und bieten ebenso Windows-Funktionalität.

Zu den weiteren von Seco angebotenen COMs gehört das SOM-SMARC-MX95, das auf dem Anwendungsprozessor NXP i.MX 95 basiert und eine überragende Verarbeitungsleistung sowie fortschrittliche Sicherheitsfunktionen für die nächste Welle von Edge-Anwendungen bereitstellt.

Fortschritte bei der Embedded-Software wie Echtzeit-Betriebssysteme

Auch die Software für Embedded-Systeme hat sich im Laufe der Jahre erheblich weiterentwickelt, wodurch mehrere Echtzeit-Betriebssysteme entstanden sind, die speziell auf Embedded-Systeme wie Linux, Android und Windows ausgerichtet sind. Es existieren ferner Bibliotheken mit standardisierten Softwarekomponenten, die die Wiederverwendung von bewährten und getesteten Codes ermöglichen und damit eine unnötige Nacharbeit vermeiden. Da sich die Entwicklung von IoT-Anwendungen zunehmend auf Serviceleistungen konzentriert, schaffen Middleware-Tools wie die Clea-Software-Suite von Seco eine Abstraktionsschicht von der eigentlichen Infrastruktur, so dass sich der Entwickler auf die Entwicklung wertschaffender Anwendungen konzentrieren kann. Die Open-Source-Software-Suite Clea integriert die Datenorchestrierung durch ihre Core-Middleware-Komponenten und unterstützt die schnelle Bereitstellung von KI-Modellen in großem Maßstab. Die Cloud-agnostische Software-Suite befreit den Entwickler von der Komplexität der zugrundeliegenden IoT-Plattformen, ermöglicht die volle Kontrolle über die Datenübertragung und bietet gleichzeitig umfassende Geräteverwaltungsfunktionen, einschließlich OTA-Updates und Software-Containerisierung. Der modulare Clea-Stack beinhaltet die drei Kernkomponenten Portal, Edgehog und Astarte und lässt sich von POC- bis zu vollständigen Produktionsimplementierungen skalieren. Clea kann Googles Cloud-Dienste umgehend ausführen, und die Entwickler können das umfangreiche Toolset nutzen, um rasch maßgeschneiderte KI-Anwendungen zu erstellen und gleichzeitig von einer Reihe vorgefertigter Strukturen durch das Clea App Framework zu profitieren.

Die Entwicklung einer effektiven Embedded-Lösung erfordert Know-how

Die vorstehende Beschreibung veranschaulicht die Herausforderung, vor der der Entwickler beim Erstellen einer Embedded-Lösung steht. Um zu gewährleisten, dass die Endlösung alle verfügbaren Technologien effektiv nutzt, ist ein erhebliches Maß an Wissen in den verschiedenen Bereichen erforderlich.

Die Auswahl des Prozessors hängt von der Position der Anwendung im Leistungsspektrum ab, aber auch von den Anforderungen der Systemsoftware. Die Software bestimmt in vielerlei Hinsicht das Produktdesign, und zwar mehr als die Hardware, da ihre Entwicklung mehr Zeit und Ressourcen in Anspruch nimmt und sich auch auf die Benutzererfahrung auswirkt.

Auch der Produktlebenszyklus muss bei der Auswahl der Hardware berücksichtigt werden. X86-Prozessoren werden üblicherweise in einem Zyklus von fünf bis sieben Jahren ausgetauscht, ARM-Geräte dagegen erst nach mehr als zehn Jahren. Dies mag für einige Produkte nicht ideal erscheinen, obwohl Intel vor kurzem seine Absicht bekundet hat, Industrie-CPUs 15 Jahre lang zu unterstützen. Die Verwendung von COMs kann die Lebenszyklusprobleme abmildern.

Bei der Wahl zwischen ARM und X86 muss der Entwickler auch die bestehenden internen Fähigkeiten und Investitionen in Entwicklungs-Tools wie IDEs und Compiler berücksichtigen. Wenn das interne Team Erfahrung mit der Windows-Umgebung gesammelt und Bibliotheken mit wiederverwendbaren Komponenten erstellt hat, kann der Wechsel zu ARM und Linux zu Verzögerungen beim Projekt führen.

Auch die Sicherheit der Lösung ist zu berücksichtigen, was sich nicht nur auf die Auswahl von Hardware und Software, sondern auch auf die laufende Wartung und Aufrüstung auswirkt.

Bei einer so großen Auswahl besteht das Risiko, dass kostbare Entwicklungszeit durch Evaluierung und Analyse verloren geht. Noch schlimmer sind jedoch schlechte Entscheidungen, die zu einer frühen Produktveralterung führen können. Zudem besteht in einem derart wettbewerbsintensiven Umfeld ein enormer Druck, mit skalierbaren, kostengünstigen Lösungen möglichst schnell auf den Markt zu kommen. Die Unternehmen müssen ein effektives Ökosystem nutzen, um den Weg zur Markteinführung zu erleichtern.

Schnelle Markteinführung erfordert ein starkes Ökosystem

Ein effektives Ökosystem ermöglicht es dem Lösungsentwickler, die Produkte, Lösungen und Fähigkeiten seiner Partner zu nutzen, um die Kosten und den Zeitrahmen des Entwicklungszyklus zu reduzieren. Ökosystem-Partner können in vielen Bereichen Hilfe leisten, etwa bei der Unterstützung von Software-Tools, der Bereitstellung von Plug-ins, Bibliotheken, APIs und Anwendungen.

Die Auswahl und Integration von Hardware kann beispielsweise durch den Einsatz eines COM-Boards, das für bestimmte Anwendungen vorkonfiguriert ist, vereinfacht werden. Ein guter Ökosystem-Partner wie Seco kann eine Reihe von SBCs und COMs bereitstellen, um das gesamte Spektrum an Leistung und Energie abzudecken, und zudem entsprechende Unterstützung anbieten, um die Integrationsaufgabe zu vereinfachen. Durch Investitionen in strategische Partnerschaften mit den führenden Technologieunternehmen der Branche nimmt Seco aktiv an zahlreichen Early-Access-Programmen teil. Dadurch profitieren unsere Kunden von Spitzentechnologien mit geringerem Risiko und kürzeren Markteinführungszeiten.

Die Softwareentwicklung kann durch Tools wie der Clea Software Suite von Seco beschleunigt werden, die den Gerätezugriff und die Datenverwaltung vereinfacht und zudem vordefinierte Frameworks für die schnelle Entwicklung von KI-Routinen bereitstellt. Seco kann zusätzlich Unterstützung über den gesamten Entwicklungszyklus hinweg anbieten, einschließlich der Hilfestellung bei der Migration zwischen Windows- und ARM-Architekturen.

Der aktuelle Markt für Embedded-Systeme bietet Entwicklern eine immense Auswahl an technologischen Möglichkeiten, die in innovative IoT-Lösungen integriert werden können. Doch dieser sich rasch ändernde Markt, in dem die Zeitfenster für Chancen nur begrenzt zur Verfügung stehen, lässt Entwicklern nicht viel Zeit, die Integration von Grund auf vorzunehmen. Wer hier die Möglichkeiten eines Ökosystems nutzt, hat den Schlüssel zum Erfolg. (mk)

Förderung für Innovation und Start-ups

12 Mrd. Euro Wachstums- und Innovationskapital für deutsche Start-ups