Zapewniają one bardzo dużą szybkość realizacji projektu, bo konstruktor musi w tym przypadku zapewnić jedynie płytę bazową ze złączem, zasilaniem i niezbędnymi układami pośredniczącymi. Tworzeniu takich aplikacji sprzyjają zmiany w technologii półprzewodnikowej pozwalające zintegrować kompletny komputer na płytce o wielkości kilku centymetrów kwadratowych o wydajności i zasobach pamięci wystarczających do uruchomienia poważnego systemu operacyjnego takiego jak na przykład Windows 10 IoT Core, Linux, Android.
Szeroka oferta, wielu producentów zajmujących się tytułową tematyką oraz nowe technologie integracji całego komputera do jednego typu SoC pozwalają producentom tworzyć wielowariantowe rozwiązania dostępne z półki w niewielkich cenach. Jeśli to nie wystarcza, dostępna jest personalizacja lub produkty tworzone na zamówienie. Coraz więcej firm proponuje wersje indywidualne, a więc takie, gdzie złącza, wymiary i kształt płytki drukowanej, pamięć i procesor dopasowane są do wymagań realizowanego projektu.
Obroty dostawców przemysłowych pamięci Flash |
Rynek SBC przenika się ponadto ze światem tradycyjnych pecetów, z których rozwiązania w postaci nowych wersji miniaturowych płyt głównych stają się bazą dla komputerów przemysłowych jak na przykład Pico-ITX (100×72 mm). Trend indywidualizacji i personalizacji wymusza też rosnąca konkurencja na rynku - w walce o klienta i udziały konieczne jest wyróżnienie się, oprócz wspomnianej personalizacji, także wsparciem w zakresie integracji komputera z aplikacją.
Rynek jest bardzo rozproszony
Rynek omawianych produktów jest bardzo rozproszony i podzielony między licznych producentów skupionych wokół branżowych organizacji zajmujących się promocją i rozwijaniem standardów (wymiary, złącza, konfiguracje). Konsolidacje i akwizycje ostatnich lat także zmieniają krajobraz, a nierzadko przetasowania wynikają również z tego, że na rynku pojawiają się nowi gracze. Lista producentów jest w tym przypadku bardzo długa, co powoduje, że konkurencja jest bardzo silna, a tempo zmian i ewolucji technicznej produktów relatywnie szybkie.
Ocena koniunktury w pierwszej połowie 2017 roku na rynku |
Takie firmy to m.in. Digi, VersaLogic, Wandboard, Eurotech, Advantech, Kontron, Adlink, Radisys, Mercury Systems, UDOO, Olimex, American Portwell, Arbor Solutions, Logic NETBurner, Aaeon, Diamond Systems, IEI, Avalue, Variscite, DFI i wiele innych. Mamy też krajowe firmy, które projektują i produkują takie jednostki, jak na przykład Grinn.
ARM-y rządzą
Na rynek SBC przebojem weszły w ostatnich 5 latach procesory ARM, które do takich zastosowań nadają się doskonale pod względem poboru mocy, możliwości integracji oraz dużej wydajności. Nie oznacza to oczywiście, że architektura ×86 Intela jest w odwrocie. Procesory tego producenta są wybierane chętniej, gdy konieczne jest zapewnienie wysokiej mocy obliczeniowej, dobrych możliwości multimedialnych i graficznych.
Aktualna koniunktura na rynku pamięci Flash dla przemysłu |
Z kolei układy ARM producenci mogą scalać samodzielnie w ramach SoC i tworzyć rozwiązania skrojone na miarę pod kątem wydajności zasobów i pobieranej mocy. Ponieważ licencjobiorców ARM-ów, jest wielu, także oferta rynku w zakresie SBC wydaje się bardzo szeroka, a ceny bardzo konkurencyjne.
2015 roku do ARMów należało 40% rynku, co przekonuje, że klienci cenią te układy i chętnie je stosują w swoich projektach, tym bardziej że jest w czym wybierać - mamy układy z rodziny Cortex-M o niewielkiej mocy obliczeniowej znane ze świata mikrokontrolerów, są wydajniejsze jednostki 32-bitowe Cortex-A5-A9 i 64-bitowe takie jak Cortex-A35, A53.
Obroty dostawców ze sprzedaży SBC |
W sumie jest to kilkadziesiąt rdzeni, które każdy z producentów obudowuje w liczne układy peryferyjne: interfejsy, komunikację, tworząc dziesiątki, jeśli nie setki wersji. Widać to zwłaszcza w przypadku modułów SOM/COM, których jest mnóstwo.
Form factor
Większość komputerów SBC to prostokątna płytka z chipami oraz wielopinowym złączem lub gniazdami interfejsów umieszczonymi na jej obrzeżu, przez co można by oczekiwać, że po latach producentom uda się wypracować jakiś standard co do rozmieszczenia i wymiarów. Takie próby były i są podejmowane a branża co jakiś czas ekscytuje się nowym wypracowanym standardem (form factor), który za każdym razem jest określany jako przełomowy.
Komputery jednopłytkowe - ocena biznesu w 2016 roku |
Niemniej po pewnym czasie okazuje się, że pojawia się nowy pomysł na jeszcze mniejszy format. W takiej rzeczywistości część producentów nie zaprząta sobie głowy normalizacją i tworzy własne konstrukcje. W efekcie na rynku funkcjonuje kilkadziesiąt rozwiązań, w tym także mniej lub bardziej otwarte (open source), rozwijane przez stowarzyszenia i fundacje (jak Raspberry Pi).
W przypadku modułów COM/SOM standardów nie ma wcale, tak samo kompatybilności pinowej, za to są maleńkie wymiary, np. moduły procesorowe 40×40 mm lub komputerki w formacie karty PCI Express Mini 51×35 mm.
Własny komputer?
W warunkach krajowych SBC są istotnym produktem, bo wytwarzamy krótkie serie specjalistycznych urządzeń, do których nie opłaca się tworzyć własnego sterownika komputerowego. Próg opłacalności określający minimalną skalę realizowanej produkcji własnej, która jest niezbędna do tego, aby własna konstrukcja miała sens ekonomiczny, określa się na około 5000 sztuk rocznie. Nawet zakładając, że są to dane dla Europy Zachodniej i u nas ceny pracy inżynierskiej są trochę niższe, ten próg nadal będzie wysoki i to, czy jest to 5000, czy 4500 urządzeń rocznie, w praktyce nic nie zmienia.
Ocena 2016 roku dla biznesu związanego z przemysłowymi pamięciami Flash |
Po prostu w realiach krajowych to dość dużo, zwłaszcza w dzisiejszych czasach, gdy wiele kontraktów powiązanych jest z realizacją projektów i systemów tworzonych na miarę. W takiej rzeczywistości trzeba mieć naprawdę silne argumenty, aby brać się do tworzenia jeszcze jednej, własnej wersji. Świat komputerów jednopłytkowych zmienia się niezwykle dynamicznie, nowe produkty o lepszych parametrach pojawiają się co kilkanaście miesięcy i tym samym wymuszają na producentach specjalizację.
Argumentem, jaki wysuwa się przeciwko gotowym komputerom, jest ograniczona żywotność tego produktu na rynku, bo skoro technologia szybko się zmienia, to także produkty na niej bazujące stają się dostępne przez niedługi czas. Popularne modele mogą być utrzymywane w produkcji nieco dłużej, niemniej z punktu widzenia elektroniki profesjonalnej, na przykład medycznej, ograniczona czasowo dostępność jest postrzegana w tym sektorze rynku jako problem.
Sprzedaż komputerów jednopłytkowych w odniesieniu do całego biznesu |
Niemniej warto odnotować, że z roku na rok oferta produktów, które mają gwarantowaną długą dostępność, 5-7-letnią, się zwiększa. Okres ten też nie jest jakimś rekordem, bo wystarczy poszperać chwilę, aby znaleźć na przykład wersje z gwarantowaną 15-letnią dostępnością.
To na tym rynku bardzo długo. A skoro producenci wkładają wiele wysiłku, aby komputer miał jak najdłuższy czas życia, to znaczy, że opłacalność tworzenia czegoś własnego w Polsce dotyczy raczej sterowników bazujących na mikrokontrolerach niż silniejszych jednostek przeznaczonych do pracy pod systemem operacyjnym.
Andrzej Jamrozikspecjalista ds. sprzedaży z działu komputerów przemysłowych w firmie CSI
Nie da się wymienić tylko kilku branż, ponieważ komputery jednopłytkowe znajdują zastosowanie praktycznie w każdym sektorze. Stosują je zarówno producenci rozwiązań medycznych, jak i systemów digital signage, którzy implementują takie komputery jako jednostki sterujące całym urządzeniem. Popularność sektora SBC wynika głównie z całkowitej dowolności w projektowaniu ich obudów, co jest możliwe dzięki ich małym wymiarom.
Oprócz nastawienia na coraz większą miniaturyzację, której przykładem są obecnie najmniejsze jednostki w formacie Pico-ITX (100×72 mm), producenci zwracają uwagę głównie na możliwości rozbudowy komputera o kolejne interfejsy we/wy. Poprzez specjalizowane złącze tworzą w ten sposób rozwiązania podobne do "kanapki", które do tej pory były wykorzystywane w rzadziej już stosowanych komputerach PC/104. Wprowadzanie kolejnych generacji energooszczędnych procesorów Intel Atom, Celeron czy Pentium spowodowało, że producenci wypuszczają na rynek nowe modele komputerów SBC z interfejsami do tej pory niewystępującymi, jak np. dla pamięci dyskowej w postaci złączy M.2.
Istotność danej cechy komputera SBC zależy od typu rynku, na jakim działa klient, czy ma dużą konkurencję oraz przeznaczenia produktu. Mnogość różnych modeli, formatów płytek pozwala na dobór odpowiedniego rozwiązania, a przy większych zamówieniach jest możliwość modyfikacji w postaci dodania czy usunięcia interfejsów, dodanie funkcjonalności BIOS-u itp. Istotną cechą komputera SBC jest cena jego zakupu, zwłaszcza że na rynku są dostępne bardziej komercyjne komputery Raspberry Pi czy UP, znajdujące zastosowanie w prostszych konstrukcjach. Warto jednak pamiętać, że w przypadku, gdy liczy się tzw. TCO, koszt rozwiązania przemysłowego może być całościowo niższy niż rozwiązania komercyjnego. Klienci znają oczywiście przewagę rozwiązań przemysłowych i w większości przypadków zwracają uwagę na długi "czas życia" produktów - odbiorcy nie chcą przeprojektowywać urządzeń końcowych, zwłaszcza gdy dany model przemysłowego komputera SBC jest dostępny przez 4 do 7 lat. Koszty serwisowania urządzeń są również ważne, szczególnie jeżeli producent działa na rynku międzynarodowym (wspomniane wcześniej TCO). W tym przypadku pojedynczy serwis urządzenia komercyjnego może wynieść więcej niż różnica w zakupie. |
Pobór mocy ciągle maleje
Nowe technologie w zakresie procesorów, zaawansowanie technologii półprzewodnikowej, coraz większe upakowanie bloków funkcjonalnych w ramach układu SoC przynoszą nie tylko mniejsze wymiary płytek z komputerami, ale także coraz mniejszy pobór mocy. W przypadku μQSeven o wymiarach 4×7 cm jest to maksymalnie 10 W, ale nie znaczy to, że ten komputer właśnie tyle pobiera.
Znaczenie przemysłowych pamięci Flash dla dostawców |
Generalnie podawanie mocy zasilającej w przypadku omawianych produktów zawsze dotyczy wartości maksymalnej, gdyż wykorzystywane techniki oszczędzania energii np. poprzez wyłączanie bloków nieużywanych lub ograniczanie taktowania powodują, że podczas realizacji typowych zadań pobór mocy jest ułamkiem wartości maksymalnej.
Coraz większa integracja
Z roku na rok komputery jednopłytkowe mają coraz mniejsze wymiary, ale też większe zasoby oraz moc obliczeniową. Jest to bezsprzecznie zasługa nowych technologii półprzewodnikowych, a więc procesów o coraz mniejszym wymiarze charakterystycznym lub metod układania jednego układu na drugim (PoP - Package over Package), po to aby ograniczyć miejsce zajmowane na płytce drukowanej.
Znaczenie poszczególnych kryteriów handlowych ofert w komputerach SBC |
Przełomem stało się to, że procesory i inne układy (interfejsy) są dostępne jako bloki IP (a więc jako oprogramowanie) i mogą być łatwo integrowane w jednej strukturze jako układ SoC (System on Chip). Efekty są imponujące, bo nieźle wyposażony komputer zajmuje na płytce powierzchnię nieznacznie przekraczającą 20 cm². Znakiem możliwości, jakie kryją się we współczesnej technologii półprzewodnikowej, jest także dostępność matryc FPGA, które też są przez producentów integrowane w wielu rozwiązaniach SBC.
Warto zauważyć, że w przypadku komputerów jednopłytkowych duża wydajność przestaje być priorytetem. Ona jest ważna w pełnowymiarowych komputerach przemysłowych (IPC). W omawianym obszarze ważniejsze są właśnie małe wymiary, niski pobór mocy oraz niewielki koszt, gdyż w ogromnej części zadania, jakie wykonują te jednostki, nie są bardzo złożone.
Popularne procesory wykorzystywane w SBC |
Dowodem potwierdzającym taką tezę jest to, że w ostatnich latach rynek SBC został zawojowany przez układy ARM Cortex i zapewne jest to też sygnał, że rynek komputerów SBC ewoluuje raczej w stronę wymagań aplikacji IoT niż przemysłowych rozwiązań procesowych. Bezsprzecznie sektor komputerów przemysłowych staje się coraz bardziej otwarty dla "przeciętnego" konstruktora, a coraz niższe ceny i większa dostępność sprawiają, że dostęp do tych rozwiązań jest praktycznie nieograniczony.
Kamil PrusFAE w Computer Controls
W kwestii nowości w zakresie systemów SBC warto wymienić tutaj rozwiązania oparte na układach procesorów mobilnych (Qualcomm), FPGA lub rozwiązaniach łączących standardową architekturę ARM/x86 z układami FPGA. Należy również wspomnieć o zróżnicowaniu rozwiązań w zakresie samego hardware'u, obecny rynek pozwala na znalezienie rozwiązania dosłownie "szytego na miarę".
Specyfikacja produktu jest zazwyczaj pierwszym czynnikiem branym pod uwagę przy doborze systemów SBC, w zależności od rynku oraz aplikacji strategicznymi czynnikami stają się różne kwestie np. spełniane standardy, architektura procesora czy liczba oraz rodzaje interfejsów. Bardzo ważnymi czynnikami są również dostępność produktu, jakość oraz dostępność dokumentacji, rodzaje systemów operacyjnych, cena oraz niekiedy wsparcie producenta. Klienci opierający swoje rozwiązania na systemach SBC oczekują prostego oraz szybkiego wykonania projektu swojego produktu/usługi. Wiąże się to z takimi kwestiami jak znajomość rozwiązania lub producenta, dostępność dokumentacji oraz sterowników, a także wsparcie oraz wiedza po stronie producenta lub dystrybutora.
Klienci zazwyczaj korzystają ze znanych im rozwiązań oraz technologii, które są sprawdzone i przetestowane, co sprawia, że poszukiwania rozwiązań zawężają się do tego co sprawdzone i znane. Rynek dostawców oraz systemów SBC jest duży i zdywersyfikowany, liczba producentów oraz produktów sprawia, że nie sposób wszystkiego śledzić gdy głównym celem jest rozwój projektu. |
Komputery open source
Przełomowym momentem dla rynku komputerów jednopłytkowych było pojawienie się platform open source, a dokładnie komputerka Raspberry Pi. Był on bardzo tani, nieźle wyposażony, dostępny dla każdego oraz dobrze udokumentowany. RPI wszedł przebojem na rynek, bo miał rewelacyjny stosunek ceny do możliwości.
Główne branże i odbiorcy komputerów jednopłytkowych |
Sukces RPI wywołał na rynku prawdziwą gorączkę złota, a kolejne platformy zaczęły wyrastać jak grzyby po deszczu. Aktualnie grupa najpopularniejszych liczy minimum kilkanaście pozycji, a całość nawet kilkadziesiąt. Najtańsze komputerki kosztują poniżej 10 dolarów! W tworzenie i promocję takich rozwiązań zaangażowały się największe światowe firmy dystrybucyjne, dzięki czemu całość nie była jedynie chwilowym zainteresowaniem grup społeczności lub fundacji.
Do wymienionego Raspberry Pi należy dodać BeagleBone, BananaPi, OrangePi, HummingBoard, Gizmo lub Odroid. Do tej grupy można też dopisać wiele platform mniej otwartych, ale o podobnym charakterze i przeznaczeniu jak Galileo, Wandboard, UP Board i inne. Efekt jest taki, że komputery tego typu trwale zmieniły rynek i stworzyły nową kategorię użytkowników, makerów, czyli takich hobbystów nowej generacji.
Ważne parametry techniczne wspierające sprzedaż |
Platformom open source brakuje wielu cech niezbędnych w aplikacjach przemysłowych, a więc szerokiego zakresu temperatur pracy, jakości, stabilności działania i wieloletniej dostępności, przez co ich możliwości aplikacyjne sięgają jedynie obszaru półprofesjonalnego, a więc takiego o łagodnych wymaganiach.
W praktyce wiele zastosowań z pogranicza da się za ich pomocą obsłużyć.
Kamil Ćwiertniaproduct manager przemysłowych pamięci Flash w firmie CSI
W przemyśle najczęściej wykorzystywane są pamięci NAND Flash SLC, ponieważ charakteryzują się one niską awaryjnością i bardzo dużą liczbą cykli zapisu. Są też odporne na różnego rodzaju zakłócenia. Produkty oparte na pamięciach MLC stosowane są natomiast w aplikacjach budżetowych, gdzie pewność zapisu danych ma mniejsze znaczenie, natomiast wymagana jest duża pojemność. Ważne jest, aby określić, w jakim środowisku zostanie zastosowany dany nośnik oraz w jakim zakresie temperatur będzie pracował. Większość producentów podaje także wartość współczynnika TBW, który określa limit zapisywanych danych pozwalający sprawdzić, jaka pojemność dysku jest potrzebna i jaki będzie czas jego pracy. Aby uniknąć nieprzewidzianych awarii, w przypadku niestabilnego zasilania warto rozważyć zastosowanie dysków z wbudowanymi kondensatorami, dzięki którym w każdych warunkach może zostać dokończony proces zapisu i nie dojdzie do naruszenia integralności danych lub kontrolera dysku.
Ze względu na niską cenę zakupu pamięci konsumenckich, część klientów używa ich w aplikacjach przemysłowych. W pierwszym okresie użytkowania nie widać między nimi znacznej różnicy. Niestety charakteryzują się one większą awaryjnością i nie zawsze prawidłowo pracują w trudnych warunkach środowiskowych. W takiej sytuacji okazuje się, że mogą wystąpić przestoje w produkcji, co powoduje kilkukrotnie większe koszty dla klienta niż sam zakup nośnika przemysłowego. Nie zawsze występuje też możliwość zgłoszenia reklamacji produktów z pamięciami konsumenckimi, które były wykorzystane w warunkach przemysłowych, ponieważ część producentów stosuje zapisy o ograniczonej gwarancji.
Na uwagę z pewnością zasługuje miniaturyzacja układów elektronicznych, w tym pamięci NAND Flash. W ciągu ostatnich kilku miesięcy następuje migracja technologii NAND z 2D do 3D. Ten trend dotyczy głównie rynku konsumenckiego, jednak ma on duży wpływ również na aplikacje przemysłowe. Niektórzy producenci pamięci profesjonalnych już wprowadzili produkty oparte na technologii 3D. Zmiana dotyczy zwiększenia gęstości zapisu danych poprzez warstwowe ułożenie komórek pamięci. Stosuje się, nie jak do tej pory, poziome gromadzenie danych (2D), a pionowe (3D). Takie rozwiązanie pozwala na zwiększenie pojemności i wydajności przy jednoczesnym zmniejszeniu poboru energii. Do budowy tych kości stosuje się przede wszystkim pamięci 3D MLC oraz 3D TLC. Docelowo kości 3D mają być tańsze niż 2D. |
Pamięci przemysłowe Flash
Tak samo jak z małych komputerów przemysłowych zniknęły wentylatory, tak samo dzisiaj widać odwrót od klasycznych nośników danych, czyli napędów HDD, które zastąpiły pamięci Flash, a więc karty i dyski. W ostatnich latach dostępne pojemności nośników wzrosły na tyle, że nie ma problemu, nawet gdy trzeba przechować terabajty danych. Dyżurnym tematem jest trwałość i niezawodność zapisu, a także zakres temperatur pracy.
No i oczywiście cena, bo ona zawsze się liczy. Przemysłowe karty i dyski są sporo droższe od konsumenckich i nie jest to różnica mała. Powodem jest to, że bazują one na pamięciach SLC, w których jedna komórka przechowuje jeden bit danych, a nie kilka, mają bardziej zaawansowane kontrolery i bazują na chipach, które przeszły testy poprawności pracy w szerokim zakresie temperatur.
Sterowniki do takich zastosowań mają rozbudowane algorytmy detekcji i korekcji błędów, mechanizmy zarządzania uszkodzonymi blokami pamięci i monitorowania parametrów karty, które umożliwiają m.in. określenie stopnia jej zużycia. Niektóre rozwiązania mają też funkcje odzyskiwania danych oraz detekcji przerwy w zasilaniu lub podtrzymania zasilania.
Bardzo duży globalny wzrost popytu na pamięci półprzewodnikowe spowodowany zwiększeniem sprzedaży w parze z potężną ilością pamięci wbudowanej w smartfonach i wzrostem sprzedaży konsumenckich SSD spowodował w ostatnich latach duży wzrost cen pamięci, a także wydłużenie czasów dostaw. Oznacza to, że ograniczenia zjawiska wykorzystywania pamięci komercyjnych w zastosowaniach przemysłowych jeszcze potrwa.
Robert Magdziak
Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród dostawców komputerów jednopłytkowych i pamięci Flash w Polsce.