Megatrend Multicore Computing

Effizienz ist das Verhältnis von nützlicher Arbeit zur aufgewendeten Energie.

In der Technik bedeutet das, Probleme mit minimalem Aufwand zu lösen. Multicore-Computing bietet eine Möglichkeit, diese Effizienz zu erreichen, indem leistungsstarke Mehrkernsysteme mit Echtzeit-Kernen und FPGA-Anbindung eingesetzt werden.

Man unterscheidet dabei zwischen homogenen und heterogenen Multicores. Homogene Multicore-Systeme haben identische Kerne, die die gleiche Architektur teilen, wie zum Beispiel ein Quad-Core Cortex-A53. Im Gegensatz dazu kombinieren heterogene Systeme verschiedene Kerne, wie etwa einen Mikroprozessor-Kern mit einem Mikrocontroller-Kern, wie den Cortex-A und Cortex-M. Zudem wird mit Blick auf das Multiprocessing unterteilt. Symmetrisches Multiprocessing (SMP) verwendet identische Kerne mit einem gemeinsamen Betriebssystem und Speicher, was eine Lastverteilung ermöglicht. Asymmetrisches Multiprocessing (AMP) nutzt unterschiedliche Kerne und Betriebssysteme für spezialisierte Aufgaben, wobei zumeist ein Betriebssystem auf Cortex-A und Echtzeitbetrieb auf Cortex-M läuft.

Ein Vorteil heterogener Multicore-Konfigurationen liegt in der Leistungsoptimierung. Aufgaben werden je nach Verarbeitungsbedarf und Deterministik getrennt. Echtzeitanwendungen laufen effizienter auf kleineren, deterministischen Kernen wie dem Cortex-M, während komplexe Anwendungen einen leistungsstarken Cortex-A erfordern. Multicore Computing ist also immer auch eine Frage der Reduzierung des Energieverbrauchs. Überwachungs- und Steuerungsprozesse, die deterministisch arbeiten, können auf energieeffizienten Cortex-M-Kernen laufen. Das Hauptbetriebssystem kann abgeschaltet werden, um Energie zu sparen, wenn keine Benutzerinteraktion erforderlich ist. Insbesondere im Kontext funktional sicherer und cyber-resilienter Systeme dienen Multicores dazu verbesserte Systemzuverlässigkeit und -sicherheit durch die Trennung der Prozesse auf verschiedenen Kernen zu erreichen. Fehler auf einem Kern beeinträchtigen nicht die Echtzeitverarbeitung auf einem anderen.

Stand der Technik

Multicore Computing ist kein neuer Trend und außerhalb der Embedded-Welt gängiger Standard für Mobilfunkgeräte, Panels und PCs. Im Kontext Embedded Systems jedoch sind Mikroprozessoren mit spezialisierten Besonderheiten ausgelegt, damit Anforderungen an die Dauerhaftigkeit, Repitetierbarkeit und Langlebigkeit gewahrt werden können. Zudem werden besondere Anforderungen an die Sicherheit und Echtzeitfähigkeit gestellt, die in verschiedenen Architekturen von Prozessoren sowie besonderen Techniken und logischen Einheiten resultieren. Dies gilt insbesondere für den Hochleistungsbereich, wo die Parallelität von Aufgaben zum Zwecke der Erhöhung des Durchsatzes isoliert von singulären Überwachungs- und Steuerungsaufgaben durchgeführt werden muss.

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