Viele Jahre lang haben die unübertroffene Spitzenleistung, die langfristige Stabilität und die breite Softwarekompatibilität von x86 es ermöglicht, hochentwickelte, geschäftskritische Anwendungen zu dominieren. Allerdings verändert die zunehmende Leistungsfähigkeit von Arm-basierten Architekturen den Status quo für moderne Edge-Systeme, die Echtzeit-Performance, Sensorfusion und Künstliche Intelligenz (KI) innerhalb enger Stromverbrauchsgrenzen erfordern. Hier untersuchen wir die Gründe für diesen Trend, bevor wir die SECO SOM-COMe-CT6-Dragonwing-IQ-X vorstellen, eine kompakte Computerplattform, die die Vorteile von Hochleistungs-Arm aufzeigt und deren Einführung erleichtert.
Über Jahrzehnte hinweg war x86 der De-facto-Standard in eingebetteten Architekturen für High-End-Missionskritische Systeme. Die Gründe liegen in der hohen Leistung der verfügbaren Prozessoren, der langfristigen Einsatzperspektive, die durch Computer-on-Module (COM)-Standards wie COM Express ermöglicht wird, und der breiten Softwarekompatibilität. Typische Anwendungsbereiche für x86-Designs reichen von industriellen Steuerungssystemen und medizinischen Geräten bis hin zu kritischen Infrastrukturen in Kommunikations- und Energienetzen.
Parallel dazu entwickelte sich Arm als die dominierende Architektur für energieeffiziente, stromsparende eingebettete Designs. Der Fokus lag auf deterministischem Verhalten, niedrigem Stromverbrauch mit geringer Thermal Design Power (TDP) und einem hohen Integrationsgrad. Diese klare Trennung zwischen den beiden Welten hielt lange Zeit an.
Heute beginnt sich diese Trennung jedoch zu verwischen. Moderne Hochleistungs-Arm-Prozessoren erreichen Leistungsniveaus, die mit fortschrittlichen x86-CPUs vergleichbar sind, und sind nun ebenfalls in der Lage, missionskritische Plattformen zu ermöglichen.
Neue Anforderungen durch veränderte Edge-Workloads
Mit den derzeit verfügbaren Hochleistungs-Arm-Prozessoren leiten CPU-Hersteller eine neue Ära ein, die die Dominanz von x86 in den letzten Jahren herausfordert. Ein wesentlicher Treiber dieses Wandels ist die Entwicklung typischer Edge-Anwendungen, die sich zuvor auf die Erfassung von Daten und deren Weiterleitung in die Cloud konzentrierten, nun jedoch zunehmend komplexe KI-Aufgaben lokal bewältigen müssen.
Dazu gehören beispielsweise KI-Inferenzaufgaben für Edge-Computing, Sensorfusion und Echtzeit-Datenanalysen. Solche komplexen Workloads erfordern nicht nur hohe Rechenleistung, sondern auch geringe Latenzzeiten bei der Datenübertragung und deterministisches Verhalten.
Gleichzeitig gewinnen zusätzliche Faktoren an Bedeutung, insbesondere in missionskritischen Infrastrukturen. Besonders in thermisch eingeschränkten Umgebungen müssen Entwickler zunehmend die Leistung pro Watt berücksichtigen. Darüber hinaus nimmt die Komplexität der Systemintegration weiter zu. Dies betrifft vor allem Designs, die Anforderungen an Größe, Gewicht, Leistung und Kosten (SWaP-C) erfüllen müssen. Darüber hinaus gibt es Überlegungen, die Stücklistenkosten (BOM) niedrig zu halten und eine lange Lebenszyklusverfügbarkeit sicherzustellen.
All diese Anforderungen passen gut zur Entwicklung im Arm-Ökosystem, das moderne Erwartungen durch hohe Integrationsdichte, Energieeffizienz und langfristige Verfügbarkeit erfüllt.
Untersuchung der Auswirkungen von Hochleistungs-Arm-Designs
In der Vergangenheit mussten Entwickler oft zwischen stromsparenden Arm- und leistungsstarken x86-Architekturen wählen. Mit dem Aufkommen von Hochleistungs-Arm-Designs verschiebt sich jedoch die grundlegende Designfrage. Statt eines Kompromisses zwischen Leistung und Stromverbrauch rückt ein ausgewogener Kompromiss zwischen beiden Aspekten in den Fokus.
Dieser verbesserte Ausgleich zwischen Leistung und Stromverbrauch ist am deutlichsten beim Übergang von traditionellen zu Hochleistungsdesigns zu erkennen. Moderne Plattformen mit High-End-CPUs nähern sich zunehmend Server-Workloads in Bezug auf Rechenleistung an und machen sie für missionskritische Systeme geeignet. Diese Plattformen integrieren oft CPU, GPU und NPU in einem einzigen System-on-a-Chip (SoC), was die Anzahl externer Komponenten auf der Trägerplatine reduziert, die Systemzuverlässigkeit erhöht und die mittlere Zeit zwischen Ausfällen (MTBF) verbessert.
Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Integration von KI-Beschleunigung durch eine NPU direkt auf dem SoC. Diese Integration reduziert den Bedarf an kostspieligen externen KI-Beschleunigermodulen (abhängig von der KI-Workload, der Modellgröße und anderen Faktoren) sowie zusätzlichen Schnittstellen und damit verbundenen Latenzen, was insbesondere für Edge-KI und Echtzeitanalysen relevant ist. Darüber hinaus ermöglichen einheitliche Speicherarchitekturen der CPU, GPU und NPU den Zugriff auf gemeinsame Speicherbereiche, was die Latenz weiter reduziert.
Somit hat die industrielle Reife moderner Arm-Plattformen erheblich zugenommen. Verbesserte Sicherheitsfunktionen, hohe Verfügbarkeit und Unterstützung für industrielle Temperaturbereiche ermöglichen den Einsatz in rauen Umgebungen. Gleichzeitig hat sich das Betriebssystem-Ökosystem weiterentwickelt; neben Linux-Distributionen sind zunehmend Echtzeitbetriebssysteme und hybride Ansätze verfügbar, die Arm-Plattformen für gemischte Workloads geeignet machen. Offene Standards erleichtern zudem die Einführung dieser Technologien. Bestehende Systemdesigns können wiederverwendet werden, indem neue Architekturen integriert werden, ohne dass vollständige Neugestaltungen erforderlich sind.
Nutzung offener COM-Standards für mission-critical Edge-Plattformen
COMs sind standardisierte, steckbare Rechenmodule, die Prozessor, Speicher und Kernfunktionalitäten auf einem kompakten Modul bereitstellen und diese Funktionen von der anwendungsspezifischen Carrier-Platine trennen. Offene COM-Standards bieten Vorteile über den gesamten Lebenszyklus hinweg, ermöglichen eine skalierbare Plattformstrategie, reduzieren die Abhängigkeit von einzelnen Prozessorarchitekturen und erleichtern die Migration (zum Beispiel von x86 zu Arm). Bestehende Carrier-Designs können häufig mit überschaubarem Aufwand wiederverwendet oder angepasst werden.
Ein Beispiel für diesen Ansatz ist das SOM-COMe-CT6-Dragonwing-IQ-X von SECO. Das Modul basiert auf dem COM Express Type 6 Compact Standard (95 mm x 95 mm), der traditionell stark mit dem x86-Ökosystem verbunden ist. Die Kombination dieses Standards mit einer Arm-basierten Plattform vereinfacht die Integration in bestehende Systeme und senkt die Einstiegshürde für die Einführung einer neuen Architektur.
Das Modul ist in kommerziellen und industriellen Varianten verfügbar und adressiert unterschiedliche Anwendungsszenarien. Im Kern basiert es auf einer Arm-basierten SoC-Architektur der Qualcomm Dragonwing IQ-X Serie. Es umfasst eine Multi-Core-CPU mit einer Taktfrequenz von bis zu 3,4 GHz, eine integrierte Hexagon NPU mit bis zu 45 TOPS (Tera Operations per Second) für KI-Inferenz und Echtzeit-Analytik sowie eine Adreno-GPU, die bis zu vier unabhängige Displays für Multi-Screen- und Visualisierungsanwendungen unterstützt. Auf Softwareseite unterstützt die Plattform Linux-basierte Betriebssysteme, einschließlich Yocto, und ermöglicht so eine flexible Integration in bestehende Software-Stacks.
Darüber hinaus bietet das Modul moderne Schnittstellen wie 2x PCIe Gen 4, 2x USB4 Gen 3 und 2,5-Gigabit-Ethernet mit Time-Sensitive Networking (TSN). Diese sowie weitere Funktionen ermöglichen sowohl einen hohen Datendurchsatz als auch deterministische Kommunikation für Echtzeitanwendungen. Ein verfügbares Evaluation Kit unterstützt Entwickler dabei, die Plattform schnell in Betrieb zu nehmen und zu validieren.
Fazit
Die x86-Architektur bleibt eine leistungsstarke und bewährte Lösung für mission-critical Anwendungen. Gleichzeitig zeigen moderne Arm-Plattformen, dass hohe Leistung, geringer Energieverbrauch und tiefe Systemintegration zunehmend miteinander vereinbar sind.
Die Kombination aus hochleistungsfähigen Arm-Prozessoren und offenen Standards wie COM Express ermöglicht es, bestehende Systeme schrittweise weiterzuentwickeln. Plattformen wie das SOM-COMe-CT6-Dragonwing-IQ-X bieten eine konkrete Grundlage, um KI, Echtzeit-Analytik und komplexe Edge-Workloads effizient umzusetzen.
Für Entwickler bedeutet dies vor allem eines: Die Wahl der richtigen Architektur ist nicht länger eine Entweder-oder-Entscheidung, sondern die Auswahl des optimalen Gesamtprofils für eine spezifische Anwendung.
Für weitere Informationen zum SOM-COMe-CT6-Dragonwing-IQ-X besuchen Sie bitte die SECO-Website. Das SECO-Team unterstützt Sie gerne bei individuellen Fragestellungen.