Embedded-Technologie für quantensichere Kommunikation: Eine kundenspezifische Plattform auf Basis von BORA XPress

Die Entwicklung der Quantenkommunikation eröffnet neue Perspektiven für die Cybersicherheit. Durch die Nutzung der Prinzipien der Quantenmechanik ermöglichen diese Technologien die Erzeugung und Verteilung kryptografischer Schlüssel mit einem bislang unerreichten Sicherheitsniveau, bei dem jeder Abhörversuch sofort erkannt werden kann.

Um solche innovativen Technologien in missionkritischen Anwendungen einzusetzen, ist eine leistungsfähige und zuverlässige Hardwareplattform erforderlich, die komplexe Datenverarbeitung, präzise Synchronisation und robuste Systemintegration ermöglicht.

Zur Erfüllung dieser Anforderungen entwickelte und validierte DAVE Embedded Systems eine kundenspezifische Plattform auf Basis des BORA XPress System on Module (SOM) und stellte damit die erforderliche Leistung, Flexibilität und Zuverlässigkeit für moderne sichere Kommunikationssysteme bereit.

Die Herausforderung

Quantenkommunikationssysteme stellen hohe Anforderungen an die zugrunde liegende Elektronik.

Die Plattform musste in der Lage sein:

• Hohe Rechenleistung bereitzustellen
• Zahlreiche digitale und analoge Schnittstellen zu integrieren
• Präzise Timing- und Synchronisationsfunktionen zu gewährleisten
• Einen zuverlässigen Betrieb in anspruchsvollen Umgebungen sicherzustellen
• Skalierbarkeit und Zukunftssicherheit zu bieten
• Entwicklungszeiten zu verkürzen

Anstatt Ressourcen in die vollständige Entwicklung einer eigenen Hardwareplattform zu investieren, entschied sich der Kunde dafür, auf die Embedded-Kompetenz von DAVE zu setzen, um Entwicklungszeit und Projektrisiken zu reduzieren.

Die DAVE-Lösung

Das Herzstück der Plattform bildet das BORA XPress SOM, das einen Dual-Core ARM Cortex-A9 Prozessor mit einem Xilinx Zynq FPGA kombiniert. Dadurch werden leistungsfähige Softwareverarbeitung und flexible Hardwarebeschleunigung in einem kompakten Modul vereint.

Auf Grundlage dieses erprobten Moduls entwickelte DAVE eine vollständig kundenspezifische Carrier-Board-Lösung, die exakt auf die Anforderungen der Anwendung zugeschnitten wurde.

Das Projekt umfasste:

Hardware-Architektur

• Definition der Gesamtarchitektur
• Analyse der funktionalen Anforderungen
• Auswahl von Schnittstellen und Komponenten
• FPGA-Ressourcenplanung und I/O-Zuweisung

Elektronikentwicklung

• Entwicklung des vollständigen Schaltplans
• Integration der Stromversorgung
• Hochpräzises Clock-Management
• Entwicklung digitaler und analoger Schnittstellen
• Anbindung externer Subsysteme

PCB-Layout

• Entwicklung eines hochdichten Multilayer-PCBs
• Routing von Hochgeschwindigkeitssignalen
• Umsetzung kontrollierter Impedanzen
• Optimierung hinsichtlich EMV und Signalintegrität

Prototyping und Validierung

• Fertigung von Prototypen
• Hardware-Inbetriebnahme
• Funktionstests
• Validierung der Schnittstellen
• Unterstützung bei Software- und FPGA-Integration

Durch diesen ganzheitlichen Ansatz erhielt der Kunde eine sofort einsatzbereite Plattform, die als Grundlage für das Endsystem dienen konnte.

Funktionen der Plattform

Die von DAVE entwickelte Plattform bildet den zentralen Rechenkern eines sicheren Quantenkommunikationssystems.

Zu ihren Aufgaben gehören:

• Ausführung von Kommunikations- und Sicherheitsalgorithmen
• Steuerung optischer und datenaufnehmender Subsysteme
• Verwaltung von Timing- und Synchronisationsprozessen
• Erfassung und Verteilung externer Datenströme
• Echtzeitverarbeitung mithilfe von CPU und FPGA
• Bereitstellung von Ethernet- und Spezialinterfaces für komplexe Systeme

Die Kombination aus ARM-Prozessor und FPGA ermöglicht eine optimale Aufteilung der Aufgaben zwischen Software und programmierbarer Hardware und gewährleistet damit maximale Leistung und Energieeffizienz.

Der Mehrwert von BORA XPress

Der Einsatz des BORA XPress SOM beschleunigte die Entwicklung erheblich.

Im Vergleich zu einer vollständig kundenspezifischen SoC-Lösung bietet das Modul:

• Bereits validierte Hardware
• Integriertes Speicher- und Power-Management
• Geringeres Entwicklungsrisiko
• Kürzere Projektlaufzeiten
• Vereinfachte Industrialisierung
• Erleichterte Wartung und zukünftige Erweiterungen

Dadurch konnte sich das Entwicklungsteam vollständig auf die eigentlichen technologischen Innovationen konzentrieren.

Warum DAVE?

Ein entscheidender Vorteil des Projekts bestand darin, dass sich der Kunde vollständig auf sein Kerngeschäft konzentrieren konnte.

Während DAVE Hardwareentwicklung, Validierung und Integration übernahm, konnte das Entwicklungsteam seine Ressourcen in folgende Bereiche investieren:

• Entwicklung proprietärer Algorithmen
• Weiterentwicklung quantenbasierter Technologien
• Validierung anwendungsspezifischer Funktionen
• Forschung und Entwicklung mit hohem Innovationsgrad

Daraus ergaben sich mehrere konkrete Vorteile:

Schnellere Markteinführung

Die Kombination aus bewährtem SOM und Embedded-Know-how verkürzte die Entwicklungszeit erheblich.

Geringeres Projektrisiko

Eine validierte Plattform reduzierte technische Unsicherheiten und Integrationsaufwand.

Höhere Entwicklungseffizienz

Interne Ressourcen konnten auf Innovation statt Infrastruktur fokussiert werden.

Umfassendes Know-how

DAVE brachte tiefgehende Kompetenzen in den Bereichen Hardwaredesign, FPGA-Entwicklung, Linux Embedded und Low-Level-Software ein.

Zukunftssichere Skalierbarkeit

Die modulare Architektur ermöglicht zukünftige Weiterentwicklungen bei gleichzeitiger Wahrung bestehender Investitionen.

Von der Idee zum einsatzbereiten System

Dieses Projekt zeigt beispielhaft, wie eine modulare Embedded-Plattform die Entwicklung hochinnovativer Technologien beschleunigen kann.

Durch die Kombination der Flexibilität von BORA XPress mit der Erfahrung von DAVE im kundenspezifischen Elektronikdesign konnte aus komplexen Anforderungen eine validierte und integrationsbereite Plattform entstehen.

Für Unternehmen, die an Technologien der nächsten Generation arbeiten, besteht der wahre Mehrwert nicht nur in der Hardware selbst, sondern vor allem darin, Entwicklungsressourcen auf die eigenen Innovationen konzentrieren zu können. Mit einem erfahrenen Embedded-Partner verkürzt sich der Weg zum Markt, Risiken werden reduziert und Innovationen schneller umgesetzt.