Beckhoff, 임베디드 PC의 성능 도약: DIN 레일에 장착되는 12개 코어

Beckhoff는 PC기반 제어기술 30주년을 맞이하여 새로운 세대의 하이엔드 영역 산업용 PC를 선보인다. 이 PC는 직접적인 I/O 콤포넌트를 연결하여 DIN 레일에 설치하기 위한 임베디드 PC, CX 시리즈의 확장 모델이다.

확장 모델은 표에 제시된 새로운 컨트롤로 구성된다.

좌측 표에서 확인할 수 있듯이 컨트롤러는 그 안에 사용하는 CPU만 다른 형태이다. Intel® Xeon® D 타입의 프로세서로, 각각 제 5세대 Intel®– Core™- 마이크로 아키텍처의 CPU 코어 4, 8, 12개를 탑재하였으며, 14nm 프로세스 기술로 제작되었다. 인텔은 Xeon® D 타입의 CPU를 „미드 레인지 서버“ CPU라고 한다. 이는 CPU가 클라이언트 CPU와 진정한 Xeon®-Server-CPU 사이의 연결 요소로, 이를 이용하여 Xeon® D와 달리 NUMA-아키텍처 (Non-Uniform Memory Access) 에서 멀티 CPU 시스템을 구축할 수 있기 때문이다. 그에 비해 Xeon®-D 프로세서는 독립적으로 사용되지만 그로 인해 시스템 구조가 간단하다는 장점이 있다. 전형적으로 필요한 두 번째 칩, Platform Controller Hub( PCH)가 이미 포함되어 있기 때문이다. 이것이 SoC („System on-a-Chip“) 변형의 예라고 할 수 있다. 그 결과 산업용 마더보드를 더욱 컴팩트하게 설계할 수 있으며, 최종 사용자는 스위치 캐비닛에서 공간을 절약할 수 있는데, Beckhoff가 개발한 CX20x2-시리즈 마더보드는 치수가 8.5 cm × 20.5 cm에 불과하다. 작은 크기에도 불구하고 (자동화에서는 아직 일반적이지 않은 내부 10-GBit 이더넷 포트 대신) 두 개의 독립적인 1-GBit Ethernat MAC/PHY를 탑재하여, CS2000의 Ethernet 컨트롤러와 호환된다.

새로운 차원의 성능을 지닌 임베디드 PC

새로운 하이엔드 시리즈의 임베디드 PC는 좌측과 우측의 CX2000 플러그인 모듈을 갖추고 있다.

지금까지 통상적인 Core i7-CPU에서는 CPU 당 4개 코어를 갖춘 성능의 한계에 도달했던 부분에서 Intel®-Xeon®-D CPU는 원칙적으로 최대 16 코어를 제공한다. 그러나 16 코어 버전은 현재 온도 안정적인 eTemp-SKU로 사용할 수 없기 때문에 새로운 CX 시리즈를 확장할 때에는 고려하지 않았다. 새로운 디바이스가 -25 °C ~ +60 °C의 주변 온도를 견딜 수 있어야 한다.

4, 8, 12 코어는 매우 까다로운 자동화 작업에서 충분한 컴퓨팅 성능과 병렬 처리 기능을 제공한다. TwinCAT 3 자동화 소프트웨어를 사용하면 제어 시퀀스의 다양한 작업을 여러 CPU 코어에 분산할 수 있어 컴퓨팅 부하가 줄어든다. 필드버스인 EtherCAT과 함께 100 μs의 작업 사이클 타임을 개별 코어에서 실제로 구현할 수 있다.

성능 향상의 또 다른 중요한 측면에서 별도의 그래픽 카드가 있다. Intel®-Xeon®-CPU에는 통합 그래픽 장치가 없기 때문에, CX20x0에는 별도의 2GB RAM이 장착된 그래픽 카드를 통합하였다. 이러한 CPU-RAM과 GPU-RAM의 분리를 통해 두 컴퓨팅 장치간의 영향이 방지된다. 단점이 있다면, 좁은 공간에 CPU와 GPU의 성능 밀도가 높아 팬을 사용해야 한다는 점이다. 물론 팬 회전 속도는 제어되고 PLC에서 프로그램 기술로 불러올 수 있다. 불규칙적인 상태를 감지할 수 있으며 필요할 경우 팬을 교체할 수도 있다. 팬은 무선으로 장착되기 때문에 설치가 용이하다.

시스템 모듈의 연속성

세 가지 새로운 컨트롤러는 완벽하게 CX2000 임베디드 PC 제품군에 통합되었다. 이전의 가장 큰 CX2040 컨트롤러와 비교하여 하우징은 DIN 레일을 따라 6cm 정도 커졌지만, 치수는 205 mm × 100 mm × 91 mm로, 제공되는 컴퓨팅 능력에 비해 매우 콤팩트하고 버전에 상관없이 그 안에서 작동하는 Xeon®-D-프로세서 타입에 좌우되지 않는다. 장치에 존재하는 기본 인터페이스, 즉 2 × GBit Ethernet, 4 × USB3.0, DVI-I (VGA 포함) 그리고 출고 시 장착 가능한 멀티옵션 인터페이스는 새 장치에도 여전히 존재한다. 멀티옵션 인터페이스는 출고 시 장치 확장성을 제공한다. 멀티옵션 인터페이스는 EtherCAT-Slave, RS232, RS485 등의 추가의 인터페이스와 마스터 또는 슬레이브인 필드 버스를 통해 두 번째 DVI-D 출력부 또는 디스플레이 포트 출력부를 통해 가능하다. 기존의 모든 CX2000 플러그인 모듈(좌측 및 우측 모두)을 새로운 장치에서도 변함없이 사용할 수 있다. 따라서 왼쪽에서 플러그인 Ethernet, USB-3.0-, RS232-, RS485, PoE-, PROFIBUS-Master/Slave 인터페이스, CAN-Master/Slave 인터페이스를 선택할 수 있고, 오른쪽에서 CFast 모듈, 하드디스크 및 USB 데이터 전송 모듈을 선택할 수 있다.

파워 서플라이로는 CX2000 시리즈에서 사용하는 표준 파워 서플라이 CX2100-0014와 CX2100-0914를 사용한다. CX2100-0914는 전기 화학 배터리를 이용하여 UPS(무정전 전원 공급 장치)를 생산할 수 있다. 정전 시 전체 시스템을 셧다운하거나 전압이 공급되지 않는 시간을 바이패스하기 위해서는 15 ~ 25분 정도의 유지 시간이 필요하다.  다른 공통적인 특징은 파워 서플라이에 연결할 수 있는 전자 시리즈 터미널의 자동 인식이다. E-Bus (EtherCAT 터미널) 또는 K-Bus (버스 단자) 유형의 I/O 터미널 블록, 이 두 시스템은 자동으로 감지되어 프로젝트 I/O 레벨을 구성한다.

Beckhoff는 새로운 임베디드 장치로 10년을 보장하는 새로운 장치, 10년의 서비스 기간으로 장기적인 가용성을 추구한다. 10년이라는 기간은 기반이 되는 PC 기술에도 불구하고 새로운 기술 덕분에 충분히 넘길 수 있는 시간이다.

Windows 10에서 소프트웨어 기반 역할을 하는 TwinCAT 3

마이크로소프트 윈도우 10 IoT 엔터프라이즈는 운영 시스템으로서 LTSB (Long-term servicing-branch)를 사용한다. 약간은 “수수께끼“ 같은 이 명칭 뒤에는 완전한 기능을 탑재한 윈도우 10 엔터프라이즈가 숨어 있다. 그러나 LTSB를 사용하면 업데이트 실시를 잘 감시할 수 있다. LTBS를 사용하면 업데이트가 자동으로 이루어지지 않고, 버그픽스와 보안 관련 패치만 수신한다. CB(Current Branch)와 달리 LTSB에서는 업데이트를 통해 기능 확장 또는 보충을 추후에 실시하지 않는다. 따라서 운영 시스템의 기능적 가용성을 유지할 수 있다.

윈도우 10의 콤포넌트 기반 확장성은 완전히 제거되었다. 이 운영 체제는 모놀리식이지만 이러한 사실이 장점이기도 하다. 고객은 이제 더 이상 소프트웨어가 필요한 특정 콤포넌트가 운영 체제에 포함되어 있는지 묻지 않아도 되기 때문이다. CX2042, CX2062, CX2072는 64비트 버전의 운영 체제에서만 제공된다. 새로 개발된 프로젝트는 TwinCAT3와 64 비트 운영 체제를 기반으로 하여, 멀티코어 배포 및 4GB RAM 이상의 어드레싱 능력이 가능하고, 32Bit에서는 상당한 제한이 있다.

DIN 레일 서버 컴퓨팅 능력

새로운 Intel®-Xeon®-CPU를 탑재한 CX 시리즈는 모듈 방식으로 유연하고 견고하며 다방면으로 오랫동안 사용할 수 있는 산업용 컨트롤러이다. 최대 12개의 코어를 탑재한 CUP와 별도의 그래픽 하드웨어 덕분에 DIN 레일 상에서 유례없는 컴퓨팅 성능을 제공한다.