Die Notwendigkeit von Echtzeitsystemen
Immer mehr Konnektivität, sich verändernde Verbraucheranforderungen nach immer verfügbaren Daten sowie stets aktivierte, sensorfähige Unternehmensumgebungen treiben die Entstehung, Erfassung und Analyse von exponentiell steigenden Datenmengen an. Bis 2025, schätzt das IDC, wird es 79,41 Zettabyte an Daten geben, und fast 30 Prozent davon 2 werden von Echtzeitsystemen in Echtzeit verarbeitet werden müssen.
Die Notwendigkeit einer Echtzeitverarbeitung ist besonders für Unternehmen in der Robotik, Fertigung, im Gesundheitswesen und in Hochpräzisionsbranchen wie z. B. Erdöl und -gas und der Stromproduktion von großer Bedeutung, da sie auf Echtzeitdaten vertrauen, um die Sicherheit, Effizienz und Zuverlässigkeit fortlaufend optimieren zu können.
Ein wichtiger Faktor zur Gewährleistung, dass Daten dieser Unternehmen in Echtzeit verarbeitet werden, ist die Fähigkeit des Systems, Echtzeit-Workloads zu priorisieren, zu verwalten und vor nicht-Echtzeit-Workloads auszuführen.
So verlassen sich moderne Automobilhersteller beispielsweise sehr stark auf das Zusammenspiel der Roboter in der Kfz-Montagestraße. Die Roboter reichen Teile an andere Roboter weiter, bohren, schweißen oder führen Sicherheitsüberprüfungen durch, was alles eine hohe Präzision und ein sorgfältiges Timing erfordert. In diesem Anwendungsfall muss ein Echtzeitsystem nicht nur die Möglichkeit haben, Daten in einem definierten, vorhersehbaren Zeitraum zu verarbeiten, sondern auch sicherstellen, dass wichtige Aufgaben wie z. B. sicherheitsrelevante Workloads vor weniger wichtigen Aufgaben ausgeführt werden.
Wie können datengesteuerte Branchen also sicherstellen, dass Daten zu vorgesehener Zeit und auf erwünschte Weise verarbeitet werden? Echtzeitsysteme.
Bis 2025, schätzt das IDC, wird es 79,41 Zettabyte an Daten geben, und fast 30 Prozent davon 2 werden von Echtzeitsystemen in Echtzeit verarbeitet werden müssen.
Was ist ein Echtzeitsystem?
Der Begriff „Echtzeitsystem“ bezeichnet ein beliebiges Informationsverarbeitungssystem mit Hardware- und Software-Komponenten, die Echtzeitfunktionen ausführen und auf Ereignisse in vorhersehbaren und begrenzten Zeitspannen reagieren können. Zu den Beispielen von Echtzeitsystemen zählen Flugverkehrskontrollsysteme, Prozesssteuerungssysteme und autonome Fahrsysteme.
Vorteile von Echtzeitsystemen für Anwendungen
Echtzeitsysteme bieten mehrere Vorteile:
| Vorteile | |
|---|---|
| Genaueres Timing | Echtzeitsysteme sind so konzipiert, dass Aufgaben in (bis zu Mikrosekunden) präzisen Zyklusfristen ausgeführt werden müssen. |
| Höhere Vorhersehbarkeit und Zuverlässigkeit | Da Echtzeitsysteme Daten in festgelegten, vorhersehbaren Zeiträumen verarbeiten, ist die Ausführung von Aufgaben oder Workloads praktisch garantiert, was die Zuverlässigkeit von geschäftskritischen Systemen für Unternehmen verbessert. |
| Priorisierung von Echtzeit-Workloads | Wenn bestimmte Echtzeit-Workloads in einem festgelegten Zeitraum abgeschlossen werden müssen, um einen kritischen Systemausfall zu vermeiden, wird die Priorisierung einiger Workloads gegenüber anderen entscheidend. Einige, wenn auch nicht alle Echtzeitsysteme sind in der Lage, Workloads oder Aufgaben zu priorisieren. |
Echtzeitsystemkomponenten
Damit ein Echtzeitsystem in der Lage ist, Daten in Echtzeit zu verarbeiten, muss es zwei Anforderungen erfüllen:
- Rechtzeitigkeit: Die Möglichkeit, das erwartete Ergebnis fristgerecht zu liefern.
- Zeitsynchronisierung: Die Fähigkeit der Agenten, unabhängige Taktfrequenzen zu koordinieren und sie gemeinsam auszuführen.
Bei der Bewertung von Echtzeitsystemen können Unternehmen den Wert eines Systems daran messen, inwieweit es in der Lage ist, Ereignisse oder Aufgaben abzuschließen. Die Vorhersehbarkeit kann weiter durch Prüfung folgender Systemangaben bewertet werden:
- Latenz: Messung der Zeit zwischen zwei Ereignissen
- Computer-Zittern: Latenzabweichungen zwischen Iterationen
Eine weitere wichtige Eigenschaft in Echtzeitsystemen ist die Fähigkeit, gleichzeitig Echtzeit- und nicht-Echtzeit-Workloads auszuführen, um einen kritischen Systemausfall zu vermeiden.
Abschließend ist es wichtig, zu wissen, wie Echtzeitsysteme in der Regel kategorisiert werden. Sie werden entweder als weiches oder als hartes Echtzeitsystem bezeichnet, was von den Zeitbeschränkungen abhängig ist.
Weiche Echtzeitsysteme im Vergleich zu harten Echtzeitsystemen
Das Konzept der Echtzeit kann für eine Vielzahl von Anwendungsfällen gelten. Die Mehrzahl der Anwendungsfälle wie z. B. Web-Surfen und Gaming, fallen in die weiche Echtzeitklassifizierung.
Weiche Echtzeit besteht, wenn ein System weiter funktionsbereit ist, selbst wenn es die Aufgaben innerhalb einer festgelegten Zeit nicht ausführen kann. Wenn das System den Termin verpasst hat, hat dies keine kritischen Konsequenzen. Das System läuft weiter, obwohl es dies mit unerwünscht geringerer Ausgabenqualität tut.
In bestimmten Branchen wie Robotik, der Kfz-Branche, Versorgungsunternehmen und im Gesundheitswesen, werden an den Einsatz hohe Anforderungen in Bezug auf die Synchronisierung, Fristen und zeitliche Garantien zur Ausführung in Katastrophenfällen gestellt. Diese Beispiele fallen unter die Klassifizierung von harten Echtzeitsystemen.
Harte Echtzeit besteht, wenn das System seinen Betrieb einstellt, wenn ein Termin verpasst wurde, was katastrophale Folgen haben kann.
Anwendungen von Echtzeitsystemen
Prozesssteuersysteme
Prozesssteuersysteme kommen in industriellen Anwendungen zum Einsatz, in denen die Produktion nicht ruht und Unterbrechungen nicht vorgesehen sind. Diese Systeme unterstützen Unternehmen bei der Aufrechterhaltung der Qualität und der Leistungssteigerung durch Testverfahren, die Erfassung relevanter Daten und die Rückgabe dieser Daten zwecks Überwachung und Fehlerbehebung. Unternehmen im Erdöl- und Erdgassektor setzen vielfach Prozesskontrollsysteme ein und ziehen daraus zahlreiche Vorteile, angefangen bei der erhöhten Effizienz über einen sichereren Betrieb ihrer Anlagen bis zu weniger Ausfallzeiten und weniger Verlusten.
Maschinelles Sehen
Maschinelles Sehen wird eingesetzt, damit Maschinen schnell Daten auswerten können, um die Umgebung zu erkennen und auf der Grundlage dieser visuellen Eingabe schnell Entscheidungen treffen können. Diese Maschinen sind häufig sehr wertvoll, um für einen ununterbrochenen Produktionsfluss oder die Fortsetzung entscheidender Prozesse zu sorgen. Echtzeitsysteme tragen dazu dabei, dass derartige Maschinen in der Lage sind, Daten in so gut wie Echtzeit zu verarbeiten.
Robotik
Robotiktechnik wird für eine Vielzahl komplexer Anwendungen eingesetzt, von denen viele genaue Zeitbeschränkungen erfordern, um eine sichere Workload-Ausführung zu gewährleisten und dauerhaft in Betrieb zu bleiben. Echtzeitsysteme sind aufgrund der Notwendigkeit von Echtzeitverarbeitung ein wichtiger Bestandteil von Robotikbetriebssystemen.
Produzierende Industrie
Zukunftsorientierte Hersteller verlassen sich auf Erkenntnisse, die aus Echtzeitanwendungen gewonnen werden, um Probleme in der Produktqualität zu vermeiden, die Effizienz und Leistung zu verbessern und letztlich einen Wettbewerbsvorsprung zu erarbeiten. Embedded-Echtzeitsysteme helfen Herstellern, ihre Produktivität zu maximieren und für eine höhere und konstante Produktqualität und die Sicherheit im Werk zu sorgen.
Gesundheitswesen und Patientenüberwachung
Die Geschwindigkeit, mit der Daten im Gesundheitswesen verarbeitet werden können, ist häufig eine Frage des Überlebens. Echtzeitsysteme tragen erheblich dazu bei, dass Daten von Patientenüberwachungssystemen, wie z. B. Herzfrequenzsensoren, Ärzte sofort auf Abruf zur Verfügung stehen, damit Patienten sicher sind und gesund werden können.
Intels Einfluss auf Echtzeitsysteme
Um neue Lösungen mit hohen Echtzeitanforderungen unterstützen zu können, hat Intel eine Echtzeitleistungstechnik, Intel® Time Coordinated Computing (Intel® TCC), in sein Produktangebot aufgenommen und erweitert fortlaufend seine Unterstützung von Time-Sensitive Networking (TSN).
Intel® Time Coordinated Computing (Intel® TCC) ist eine neue Reihe von Funktionen, die die Rechenleistung von Intel® Prozessoren verbessern, um die für harte Echtzeitanwendungen benötigten Zeitbeschränkungen zu berücksichtigen. Durch Intel® TCC eignen sich die Prozessoren für latenzempfindliche Anwendungen, sind jedoch weiterhin generell leistungseffizient, wobei ausreichend Leistung für andere gleichzeitige Aufgaben verbleibt. Intel® TCC trägt dazu bei, dass jedes Element in einem Workload innerhalb des erforderlichen Zeitraums zuverlässig und vorhersehbar ausgeführt werden kann.
Time-Sensitive Networking (TSN) bezeichnet eine Sammlung von IEEE-Standards, Spezifikationen und Funktionen, die auf Standard-Ethernet-Netzwerken basieren, um zeitempfindliche Anwendungen und präzise Zeitsynchronisierungen, die rechtzeitige Datenübertragung und den geplanten Datenverkehr zu unterstützen. TSN kann zur Leistungsoptimierung zwischen Systemen eingesetzt werden, indem ein offenes standardbasiertes Design genutzt wird. Intel unterstützt jetzt mehr TSN-Standards als je zuvor, wie:
- IEEE 802.1AS: Generalized Precision Time Protocol
- IEEE 802.1Qbv: Time-Aware Shaper
- IEEE 802.1Qav: Credit-Based Shaper
- IEEE 802.1Qbu: Frame Preemption
Intel® Lösungen transformieren Echtzeitsystemen
Die steigende Nachfrage zur Erfüllung von harten Echtzeitanforderungen wird voraussichtlich eher weiter zunehmen. Intel hat die Technik und das Fachwissen, damit Unternehmen sich mit Intel® TCC und erweiterter Unterstützung von TSN auf diese kommende Welle der Datenverarbeitung vorbereiten können. Diese Lösungen wählen einen neuen gemeinsamen Ansatz, um Herausforderungen zu bewältigen, die häufig bei leistungsstarken Echtzeitlösungen auftreten.