Speicherchip

Die Leistungsfähigkeit von Speicherchips vervielfältigt sich seit Langem. Da es heute sehr kleine Chips gibt, erleichtert das den Bau von Industrie-PCs. - Bild: Adobe Stock - archy13

Von einem "Gesetz" hat der Intel-Mitgründer Gordon Moore gar nicht gesprochen, als er im Jahr 1965 in einem Beitrag in der Fachzeitschrift "Electronics" die permanente Verdoppelung der Leistungsfähigkeit von Computer- und Speicherchips binnen zwölf bis 24 Monaten voraussagte. Titel: "Cramming more Components onto integrated Chips" – Mehr Komponenten auf einen integrierten Halbleiter packen.

Es waren andere, die das als naturgegeben hinstellten. Seine normative Kraft für die Halbleiterindustrie beweist "Moore’s Law‘"bis heute allemal: Es werden gewaltige Summen investiert, um die Leistung auf das jeweils maximal Mögliche zu steigern. Die ersten Computer ließen kaum Platz für einen Schreibtisch im gleichen Raum. Ein Smartphone bringt nun weit über 100 Millionen Mal die Leistung eines Rechners im Apollo-Mondprogramm der NASA. Zwölf Quadratmeter groß wäre sein Mikroprozessor, würde man diesen mit der Technologie der 1970er-Jahre herstellen.

Leistungsfähige Mikroprozessoren ermöglichen rasante Entwicklungen

Wollte man einst eine Maschine verbessern, musste man sie umkonzipieren und neu bauen. Mittels leistungsfähiger Mikroprozessoren lassen sich Anwendungen nun unabhängig von der Hardware entwickeln und vervielfältigen. Ingenieurkunst dringt in neue Grenzbereiche vor. „Moore’s Law ist eine Engineering-Regel und kein Naturgesetz. Engineering-Regeln werden von Menschen gemacht und müssen auch von diesen erfüllt werden“, sagt Hans Beckhoff, Geschäftsführender Inhaber der Beckhoff Automation in Verl.

Alle zwei Jahre verdopple sich die Integrationsdichte auf einem Chip und führe so zum Beispiel zu mehr Speicher im gleichen Gehäuse und zu gleichem Preis oder zu mehr CPU Power. Das beflügelt: Seit über 30 Jahren setzt das Unternehmen Beckhoff auf die PC-Control-Technologie, den Einsatz von robusten Industrie-PCs für die direkte Steuerung der Maschinen und Anlagen.

Beckhoff: „PC-Control ermöglicht es uns, leistungsfähigste PLC- und Motion-Steuerungen zu realisieren. PLC-Zykluszeiten von unter 100 µs und 100 hochdynamische Achsen, die von einem PC korreliert gesteuert werden, sind heute Standard.“ Parallel dazu ließen sich anspruchsvolle Messtechnologie in die Steuerung integrieren, ebenso Vision, Simulation, IoT und HMI. „Unsere leistungsfähige Steuerungssoftware und Industrie-PCs mit Ein-Kern-Atom-CPU, Standard-Core-i-Prozessoren bis hin zu 36-kernigen Xeons sind die Grundlage der faszinierenden Technologie moderner Maschinensteuerungen“, so der Unternehmer.

"Moore’s Law ist eine Engineering-Regel und kein Naturgesetz. Engineering-Regeln werden von Menschen gemacht und müssen auch von diesen erfüllt werden."

Hans Beckhoff, Geschäftsführender Inhaber von Beckhoff Automation

"Wenn auch auf der Ebene einer klassischen SPS immer leistungsfähigere Prozessoren und Spei­cherbausteine verbaut werden, wird dadurch das Mooresche Gesetz – wenn auch leicht zeitversetzt zur PC- und Consumer-Elektronik – in die Praxis überführt“, so Herbert Hufnagl, Leiter Digital Pneumatics bei Festo.

Die enormen Fortschritte der Halbleitertechnik sind das eine. Was davon in der Praxis ankommt – und wie – ist das andere. Hufnagl: „Die klassische Steuerungstechnik steht aktuell vor enormen Ver­änderungen durch die Industrie 4.0-Diskussion und die allgegenwärtige Digitalisierung.“

Es verändere sich die Steuerungsarchitektur: Auf dem Weg zu mehr dezentraler Intelligenz und Flexibilität wanderten seit knapp 30 Jahren immer mehr Funktionen direkt in die Feldgeräte oder in unterlagerte, intelligente Subsysteme. Die Vernetzung erfolge über Feldbus oder Ethernet-basierte Protokolle. Hufnagl: „Moore’s Gesetz unterstützte in diesem Fall die Dezentralisierung – Steuerungen mussten also nicht zwingend immer leistungsfähiger werden.“

Der PLCnext-Controller AXC F 2152
Intelligente Edge Devices wie der PLCnext-Controller AXC F 2152 bereiten die Daten intelligenter Sensoren und Aktoren für die weitere Verarbeitung in der Cloud auf. Die Daten aus der Cloud können dann mithilfe von KI analysiert werden. - Bild: Phoenix Contact

"More than Moore"

Dem Maschinenbau setzt die Steuerungstechnik fast keine Grenzen mehr. Hans Beckhoff: „Nicht allein durch mechanische Fortschritte, sondern sehr wesentlich auch über Softwarefortschritte mit der Implementierung neuester Algorithmen lässt sich die Performance der Maschinen und Anlagen verbessern.“ Moore’s Law werde auch in den nächsten zehn Jahren für gleichbleibenden Fortschritt sorgen und uns als Automatisierungsanbieter helfen, weiterhin führende Technologie bereitzustellen. Zumal auch der sogenannte "More-than-Moore"-Trend hinzukomme.

Moore habe sich ursprünglich mit seiner Prognose auf die Verdoppelung der Transistoren pro Fläche bezogen, heißt es in den Grabgesängen. Das kann natürlich schon aus rein physikalischen Gründen nicht endlos funktionieren, was der heute 90-jährige Bachelor in Physik und Chemie bereits vor 50 Jahren gewusst haben muss. Es waren die Marketingleute von Intel, die die Zugkraft der einfachen Formel erkannt haben und auf der Welle gern mitgeschwommen sind. Inzwischen sprechen selbst sie davon, dass Strukturverkleinerungen heute etwas länger dauern als 24 Monate.

Die Industrie tut nun genau das, was Moore ihnen als Leitmotiv mit auf den Weg gegeben hat. Sie strengt sich gewaltig an und interpretiert die Botschaft nun deutlich progressiver. Es gehe nicht allein um Transistoren, sondern um die Kombination von Transistoren, um neue Architekturen, Verbesserungen der Konnektivität und schnellere Speichersysteme, betont Raja Koduri, Chefarchitekt für die neue Grafiksparte und Vice President von Intel. All dies zusammengenommen soll das System weiter vorantreiben.

Virtuelle Abbilder Produktionsanlagen
Virtuelle Abbilder von Produktionsanlagen erleichtern den Engineering-Prozess und die Integration von neuen Komponenten. Damit das alles möglich ist, muss auch die Rechenleistung der Cloud- und Edge-Computer im Hintergrund mithalten. - Bild: Festo

Cloud-Daten werden mithilfe von KI analysiert

„Die Verteilung von Aufgaben über dezentral gesteuerte Systeme (IIOT) hat zur Folge, dass nicht unbedingt der einzelne Chip leistungsfähiger werden muss. Stattdessen werden viele adaptierte zum Chips Spezialisten für ihre dezentralen Aufgaben, zum Beispiel als Kamerasysteme mit integrierter Bildverarbeitung“, so Dr. Tobias Frank, Vice President Automation Systems Industry Management and Automation der Phoenix Contact Electronics GmbH.

Intelligente Edge-Devices wie der AXCF2152 (PLCnext) aggregierten die Daten unterschiedlicher, intelligenter Sensoren und Aktoren und können diese für die Verarbeitung in der Cloud aufbereiten und zur Verfügung stellen. Frank. „Die Daten aus der Cloud oder aus lokalen Produktionsnetzwerken können mithilfe Künstlicher Intelligenz analysiert und beispielsweise zum Zweck der Predictive Maintenance genutzt werden.

Aber auch bei der Hardware selbst sehen Unternehmen noch Potenzial. Microsoft entwickelt Chips, Tesla versucht sich daran, Google ebenfalls. Erst Ende 2018 hat die EU den Weg frei gemacht für staatliche Beihilfen für die Mikroelektronik-Branche in verschiedenen EU-Ländern in Gesamthöhe von 1,75 Milliarden Euro.

Man sieht großes Potenzial unter anderem für Chips zur Maschinensteuerung in der Industrie und Nachholbedarf im Vergleich zu Unternehmen etwa aus den USA oder China. Bis 2024 kann allein die deutsche Regierung 820 Millionen Euro bereitstellen. Es sind zahlreiche Großunternehmen in das Vorhaben eingebunden, darunter Bosch, Das Unternehmen hatte erst im Juni den Grundstein für eine neue Halbleiterfabrik in Dresden gelegt.

Darum ist Rechenleistung heute skalierbar

Walter Hufnagl leitet die Abteilung Digital Pneumatics bei Festo. Rechenleistung ist heute aus seiner Sicht skalierbar. - Bild: Festo

Herbert Hufnagl, Leiter Digital Pneumatics bei Festo, erklärt:

„Heute stehen wir vor einer vielleicht noch größeren Veränderung: Durch Industrie 4.0 und Digitalisierungs-Konzepte wie die vollständige Flexibilisierung, autarkes Steuern, wandelbare und adaptive Produktionseinheiten, von KI in der Cloud oder on Edge, verändern sich Produktionsmaschinen und ihre Steuerungskonzepte wieder.

Cloud- und Edge-Computer sind letztlich auch aus Prozessoren und Speichern aufgebaut, für die Moore’s Gesetz gilt – nur sind die Rechenleistung und die gesamte Infrastruktur hier hochgradig skalierbar – weit einfacher skalierbar, als Rechenleistung ‚im Schaltschrank‘ oder ‚im Feldgerät‘. In den Fokus kommt: Wo installiere oder kaufe ich die Rechenleistung, Stichwort ‚Software als Service‘.

Innovative Steuerungskonzepte verlagern Rechenaufgaben, die einen hohen Durchsatz bei niedrigen Anforderungen an die Latenz erfordern, in die Cloud oder in Edge-Computer, die parallel zur SPS zum Beispiel die KI-Algorithmen zur Anomalie-Erkennung rechnen oder Machine-Vision-Algorithmen ausführen.“