Komputery jednopłytkowe to produkty, które są dostępne w minimum kilkudziesięciu wersjach, typach, różniących się wyposażeniem, możliwościami i ceną. Celem jest to, aby zaproponować klientowi produkt jak najlepiej dopasowany do jego potrzeb, bez konieczności przepłacania za niewykorzystywane interfejsy, złącza, pamięć, komunikację itd. Nowe technologie w zakresie procesorów, zaawansowanie technologii półprzewodnikowej oraz technik pakowania w ramach układu SoC przynoszą nie tylko mniejsze wymiary płytek z komputerami, ale także coraz mniejszy pobór mocy i większe zasoby. Efekty są imponujące, bo nieźle wyposażony komputer zajmuje dzisiaj na płytce tylko 20 cm².
Wydajny, niewielki i o małym poborze mocy
O ile kiedyś na rynku komputerów jednopłytkowych wyścig technologiczny odnosił się głównie do rosnącej wydajności, to obecnie zdecydowana większość komputerów ma ją na tyle dużą, że wystarcza ona do ogromnej większości aplikacji, a liczy się pobór mocy, wysoka skala integracji w ramach jednego SoCa, duża liczba dostępnych interfejsów oraz często także wydajna grafika, pozwalająca wyświetlać multimedia. Najlepszy z punktu widzenia rynku jest produkt o dużej mocy obliczeniowej, ale mały i energooszczędny, na dodatek niedrogi. Oczywiście wiele tych zależności jest w opozycji do innych, np. wydajność vs. pobór mocy, ale co do zasady producenci nieustanne starają się wypracować jakiś jeszcze lepszy kompromis. Efektem jest szybki postęp technologiczny oraz wiele interesujących produktów i nowości pojawiających się co roku w sprzedaży.
IoT i Przemysł 4.0
Przemysłowy Internet Rzeczy oraz Przemysł 4.0 to dwa ważne trendy, które zmieniają współczesną elektronikę i często rozwiązania tego typu opierają się na użyciu komputera jednopłytkowego: standardowego, SoM/CoM lub w postaci jakiejś popularnej platformy open source. Urządzenia tego typu wykorzystywane są w automatyce przemysłowej, sieciach komputerowych i telekomunikacyjnych, a także wszystkich aplikacjach "smart". Są bazą automatów sprzedaży, kiosków informacyjnych, stacji pomiarowych, rozrywki i reklamy. Są to przykłady takich rozwiązań, gdzie niezbędny jest jakiś komputer. Można dyskutować, czy w danym zastosowaniu wystarczy jeszcze mikrokontroler, czy już potrzebna jest większa wydajność, ale w praktyce decyzje są wielowymiarowym zagadnieniem. Coraz większa ilość zbieranych danych, przetwarzanie ich na krawędzi (wejściu) w oparciu o algorytmy AI/ML, większe wymagania co do wizualizacji, pracy w czasie rzeczywistym i podobne czynniki powodują, że trzeba sięgać po coś lepszego w zakresie funkcjonalności, czyli mikroprocesor. Komputer jednopłytkowy, duży lub mały SoM staje się w takich okolicznościach adekwatny.
Bezsprzecznie mamy dzisiaj bardzo dużo możliwości realizacji urządzeń i nie ma jednego uniwersalnego podejścia co do koncepcji. Ale ogólne trendy związane z IoT i Przemysłu 4.0, takie jak kontrolowanie dużej liczby czujników, praca w sieci, wysyłanie danych do chmury, możliwość rozbudowy przy małych seriach produkcyjnych sprzyjają sięganiu po SBC.
Standard, czyli form factor
W obszarze komputerów jednopłytkowych ważną rolę odgrywają standardy zapewniające możliwość korzystania z produktów wielu producentów. Chodzi o zapewnienie zgodności mechanicznej i pinowej, użycie jednakowego złącza, zasilania itd. Korzystając z rozwiązań standardowych, można zapewnić sobie większą swobodę wyboru producenta. Oparcie projektu na popularnym standardzie jest istotne, gdy trzeba zapewnić długoterminową dostępność produktów, np. rzędu 15 lat. Dostępność komputerów z wielu źródeł zaopatrzenia jest w tym bardzo pomocna, czyli standaryzacja łagodzi nieco problemy z niedostępnością elementów. Jest wiele różnych źródeł komputerów jednopłytkowych w określonych standardach rozmiarów, np. 3,5", co sprawia, że szukanie zamienników i reagowanie na problemy z dostawami jest prostsze.
Standard to z reguły tzw. form factor (kształt i wymiary produktu), który determinuje podstawowe cechy płytek zawierających komputery jednopłytkowe, w tym rozmieszczenie złączy, punkty mocowania, chłodzenie, podłączenie zasilania. Co do zasady, specyfikacje elektryczne, użyte chipy i procesory nie mieszczą się w tej definicji. Za standardem wymiarowo-pinowym zwykle kryje się jakieś stowarzyszenie czy też konsorcjum, które dba o promocję, zgodność produktów pomiędzy producentami i o podobne działania.
Wspólną cechą jest to, że jest ich dużo, aby łatwo było się rozeznać, bo często w ramach danej grupy funkcjonują jeszcze podformaty. Na przykład w ITX kryją się: Mini, Nano, Pico i Femto. W innych rozwiązaniach te "wariacje na temat" się numeruje albo dodaje literki wskazujące na typ użytej magistrali, jak PCIe104, PCI104 Express lub podkreśla większą funkcjonalność jak w PC104-Plus. Duże płytki, takie jak EBX, można rozbudować o moduły, w tym o warianty PC104, co sprawia, że są to rozwiązania konfigurowalne. Z kolei format EPIC charakteryzuje się tym, że płytki takie mają zwykle wiele linii I/O, zunifikowane złącza wzdłuż krawędzi płytki drukowanej i możliwość układania modułów rozszerzeń PC104-Plus.
Standardy są popularne w branżach i zastosowaniach: automatyce, branży rozrywkowej lub wojsku. Te dla hobbystów i makerów, w tym Raspberry Pi (85×56 mm), rzadko mają te branżowe rozmiary. Część producentów nie zaprząta sobie głowy normalizacją i tworzy własne konstrukcje – popularnym formatem jest płytka o wielkości pamięci DRAM do peceta, bo łatwo dla niej kupić złącza i wiele oprogramowania inżynierskiego ma takie komponenty w bibliotekach. 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.
Kolejną cechą charakterystyczną jest to, że kolejne wersje są coraz mniejsze. Większość nieprzemysłowych i niestandardowych SBC jest również bardzo mała, dlatego form factor nie jest w ich przypadku tak ważny. Eksperci twierdzą, że kształt płytki zbliżony do kwadratowego najlepiej zmniejsza skutki wstrząsów i wibracji, a także pomaga w uzyskaniu stabilnego mocowania, ale faktem jest, że znakomita większość omawianych produktów jest prostokątna.
Komputery jednopłytkowe SoM/CoM
Są to małe modułowe rozwiązania pozwalające na zamontowanie ich na własnej płycie bazowej (aplikacyjnej) w podstawce. Długa żywotność, doskonałe parametry, możliwość wymiany na wersję o większych zasobach, przetestowana i dopracowana w szczegółach konstrukcja razem z atrakcyjną ceną są najważniejszymi atutami takich rozwiązań.
Gdy taki komputer przestanie być dostępny lub nie będzie w stanie zapewnić wystarczających zasobów, można go stosunkowo łatwo zastąpić nowszym, podczas gdy reszta systemu, w tym I/O, zasilacz, złącza, okablowanie i wymiary fizyczne pozostają dokładnie takie same. Pozwala szybko i ekonomicznie nadążać za rozwijającą się technologią. Można też łatwo przejść do innej marki w razie problemów z jakością, dostępnością lub ceną. Ponadto klienci mogą tworzyć wiele konfiguracji swoich systemów, wybierając dla każdego inny moduł na podstawie wymaganej wydajności i przy założonej cenie.
Komputery tego typu są małe, ale z reguły bez kompromisów w zakresie zasobów. Są wyposażone w wiele interfejsów przewodowych (Ethernet, HDMI, USB, SATA, M.2, Display Port, GPIO) i bezprzewodowych (Wi-Fi/Bluetooth). Z uwagi na małe wymiary muszą być zamontowane na płycie bazowej (carrier), która rozprowadza ich magistralę na standardowe złącza peryferyjne. Takie podejście jest ekonomiczne, bo płyta bazowa nie musi być wielowarstwowa. Oczywiście nie każdy komputer ma wszystkie interfejsy, ale właśnie o to chodzi, aby kupować rozwiązania bez przepłacania za nadmiarowość. SoM/CoM zapewnia kompletne, bezproblemowe rozwiązanie, gotowe do użycia łącznie z oprogramowaniem, gdyż producenci poza sprzętem dostarczają obrazy systemów (Linux, Android).
Podobnie jak w przypadku SBC tu także istotne są wymiary, z tym, że "form factor" nazywa się tutaj "footprint", a rozkład wyprowadzeń nazywa się "type". Jest około 8 typów, przy czym najczęściej używane rozkłady wyprowadzeń to "type 6" i "type 10".
Popularne formaty (footprint) to COM Express: mini (55×84 mm), compact (95×95 mm), basic (95×125 mm) i extended (110×155 mm). Oddzielną kategorią formatową jest wykonanie podobne do modułu pamięci laptopowej SODIMM (67×32 mm), które pozwala użyć tych samych podstawek. Jeszcze inne formaty funkcjonujące na rynku to Qseven i SMARC.
Czym się różnią SBC, SoM i CoM?
SBC to zwyczajowa nazwa małego komputera wykonanego w formie jednej płytki drukowanej, ale zawierającego złącza interfejsów i zintegrowane elementy peryferyjne (np. moduł komunikacji bezprzewodowej, dysk SSD, moduł TPM). Jest to produkt gotowy do działania, który nie wymaga żadnych prac przygotowawczych po stronie hardware'u.
Moduł SoM (System-on-Module) to także komputer wykonany w formie małej płytki, integrujący zazwyczaj mikroprocesor (MPU), pamięci RAM i Flash oraz – opcjonalnie moduł radiowy Wi-Fi/BT. Na złączach SoM dostępne są konfigurowalne sygnały I/O interfejsów dostępnych w MPU, które użytkownik/projektant samodzielnie konfiguruje, dostosowując je do potrzeb aplikacji. SoM-y wymagają zaprojektowania przez użytkownika carrier-boarda, który będzie wyposażony w peryferia wymagane przez aplikację docelową (interfejsy komunikacyjne, dysk SSD, modem LTE, specyficzne interfejsy komunikacyjne itp.).
Zwykle w tej roli jest używana płyta bazowa (carrier) dostarczana przez producenta SOM-ów razem w komplecie, ale finalnie producenci opracowują własne, specyficzne rozwiązania płyty bazowej (tzw. aplikacyjne). Zatem SBC to kompletny komputer o ustalonej przez producenta konfiguracji sprzętowej, podczas gdy system z SoM składa się z co najmniej dwóch płytek.
Computer-on-Module (CoM) koncepcyjnie jest identyczny z SoM, czasami jest lepiej wyposażony niż SoM (np. w moduły GPS, LTE lub NB-IoT) i wiele osób postrzega te produkty jako tożsame.
Czasy dostaw są dotkliwym problemem
Długie czasy dostaw negatywnie oddziaływają na całą branżę elektroniki, a na część związaną z komputerami jednopłytkowymi wpływ ten jest bardzo duży. W przypadku czasów realizacji zamówień na poszukiwane mikroprocesory i mikrokontrolery jeszcze niedawno szokowały wartości rzędu 50 tygodni, teraz bijemy kolejne rekordy, a wielu dystrybutorów zaczęło podawać jedynie wartości szacunkowe, aby części odbiorców nie straszyć, a innym nie robić złudnych nadziei. W wielu przypadkach kupowanie podzespołów elektronicznych zmieniło się w ostatnich miesiącach w zdobywanie, a to oznacza wiele dodatkowych problemów, nie tylko związanych z opóźnieniami. Opóźnienia są niestety splotem licznych problemów, które trudno szybko rozwiązać, a wiele firm nie tylko chciałoby mieć części do bieżącej produkcji, ale także w zapasie na kilka miesięcy.
Paradoksalnie, wojna w Ukrainie i ograniczenia narzucone Rosji przyczyniły się do lekkiej poprawy sytuacji w ostatnich dwóch miesiącach, gdyż część elementów, która trafiłaby na tamtejszy rynek, stała się dostępna w Polsce. Niemniej zmiany jakościowej to nie zapewnia.
Brak stabilności powoduje, że projekty ulegają raczej skróceniu i rozdrobnieniu, np. zamiast finansować rozbudowany projekt, klienci wolą mniejsze urządzenia, ale z możliwością modularnego rozbudowywania w przyszłości. Bo w ten sposób ponoszą mniejsze ryzyko. W świecie komputerów jednopłytkowych to zjawisko premiuje wersje standardowe (wymiary, rozkład wyprowadzeń), bo ułatwia zamianę w razie pojawienia się kłopotów. Mikroprocesor jest cały czas najważniejszym komponentem w omawianych produktach, ale z innymi też rynek ma kłopoty, np. modułami do komunikacji bezprzewodowej, pamięciami, a nawet podzespołami pasywnymi.
A kolejnym kłopotem są podwyżki cen
Braki oznaczają coraz wyższe koszty komponentów. Ceny poszukiwanych, zaawansowanych elementów elektronicznych zostały wywindowane przez spekulację, zdublowane zamówienia oraz przez gromadzenie strategicznych zapasów (najlepiej na pół roku) przez duże firmy o silnej pozycji. Dla większości przedsiębiorstw widmo przestojów w produkcji, opóźnień w realizacji projektu, groźba niedotrzymania warunków umowy oraz inne podobne zjawiska prowadzą do wzrostu presji na dział zakupów i niestety konieczności płacenia dużo więcej. Kiedyś ratunkiem były źródła azjatyckie, ale teraz tam też ceny wzrosły.
Przed nami zapewne są kolejne podwyżki wywołane infl acją oraz wzrostem cen u producentów półprzewodników. Największe na świecie fabryki chipów, w tym TSMC, Samsung i Intel, rozważają podwyżki cen z powodu inflacji oraz rosnących kosztów. Ze względu na utrzymujący się niedobór komponentów firmy te mają dużą swobodę, jeśli chodzi o ustalanie cen. Gdy podaż jest ograniczona, producenci elektroniki i tak wezmą wszystko, co mogą. W efekcie wzrostu cen materiałów, kosztów pracy i mediów konieczne staje się przeliczenie opłacalności wielu inwestycji i projektów.
Konkurencja ze strony platform open source będzie się zwiększać
Wykorzystanie sprzętu o gorszych właściwościach w bardziej zaawansowanych aplikacjach zawsze było widoczne na rynku elektroniki i dotyczyło wielu branż, łącznie z wojskiem, gdzie "commercial-of-the-shelf", czyli seryjny produkt komercyjny dostępny "z półki" w zastosowaniu wojskowym, jest od wielu lat uznanym podejściem projektowym. Najczęściej zjawisko to dotyczy zakresu temperaturowego i urządzeń przeznaczonych do pracy na zewnątrz budynków, także tych działających w trudnych warunkach przemysłowych, systemach monitoringu i bezpieczeństwa, automatach sprzedaży itp.
W takich aplikacjach próbuje się używać tańszych produktów konsumenckich; wszędzie tam, gdzie warunki nie są aż tak bardzo krytyczne, zastosowania nie tak odpowiedzialne jak w systemach mission critical, a rynek jest wrażliwy na cenę, jest szansa, że może się to udać, o ile aplikowanie sprzętu konsumenckiego nie będzie całkowicie bezmyślne. Po dodaniu termostatu, izolacji termicznej lub zabezpieczeniu produktu przed środowiskiem za pomocą preparatów chemicznych (tzw. rugeddyzacja) komputery, nośniki pamięci, kamery, sprzęt infrastruktury sieciowej i telekomunikacyjny z dużym prawdopodobieństwem będą działać w szerszym zakresie temperatur niż 0–40ºC.
Wraz ze wzrostem zaawansowania technologii półprzewodnikowej, nawet tanie chipy działają w relatywnie szerokim zakresie temperatur i granice między tymi do zastosowań profesjonalnych i konsumenckimi nie są tak wyraźnie rozdzielone. Tańsze procesory i pamięci produkowane są na tych samych urządzeniach i liniach technologicznych co inne i zakres temperaturowy ustalany jest za pomocą selekcji u producenta. Zwykle mają spory zapas w stosunku do specyfikacji i na tym opiera się cały koncept. Skutkiem tych procesów jest to, że tanie i popularne komputery jednopłytkowe, czego doskonałym przykładem może być Raspberry Pi, mają całkiem dobre parametry środowiskowe i są z powodzeniem aplikowane w produktach komercyjnych, odbierając rynek rozwiązaniom specjalizowanym.
Brak stabilności powoduje, że projekty ulegają raczej skróceniu i rozdrobnieniu. Bo w ten sposób ponoszą mniejsze ryzyko. W świecie komputerów jednopłytkowych to zjawisko premiuje wersje standardowe, bo ułatwia zamianę w razie pojawienia się kłopotów |
Platformom open source najbardziej brakuje wieloletniej dostępności, przez co ich możliwości aplikacyjne sięgają jedynie obszaru półprofesjonalnego, a więc takiego o łagodnych wymaganiach i aplikacji, które nie są wytwarzane latami. Ale cały czas jest dla nich sporo zastosowań. Oczywiście szybka ewolucja rynku produktów tej kategorii jest problemem, bo nowości pojawiają się bardzo często i równie szybko mogą zniknąć. Brakuje też stabilności oprogramowania, wersji produktu i spełnienia wielu innych kryteriów charakterystycznych dla świata profesjonalnego, niemniej część projektów jest w ten sposób realizowana.
Rola takich komputerów może w przyszłych latach się jeszcze trochę zwiększyć, gdyż oferta produktowa szybko się poszerza w kierunku bardziej wydajnych i rozbudowanych sprzętowo jednostek, bazujących na 32-bitowych rdzeniach mikrokontrolerów. Ich możliwości sięgają "od dołu" tego, co oferują SBC i można oczekiwać, że z czasem możliwości obu grup będą się przenikać.
ARM-y na szczycie
Od wielu lat w obszarze komputerów jednopłytkowych procesory ARM systematycznie umacniały swoją pozycję, gdyż zapewniały małe zużycie energii przy wystarczającej wydajności. Nie wymagały do pracy wentylatorów i można było je łatwo zintegrować z innymi blokami funkcjonalnymi w ramach SoC. ARM-y w świecie SBC korzystały ponadto z pozycji, jaką elementy te mają na innych rynkach, a więc dużej dostępności od wielu producentów, licznym narzędziom i oprogramowaniu projektowemu oraz także bardzo przekrojowej ofercie, w której każdy mógł znaleźć dla siebie dobrze dopasowane rozwiązanie.
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. W sumie jest to kilkadziesiąt rdzeni, które każdy z producentów obudowuje w liczne układy peryferyjne: interfejsy, komunikację, tworząc dziesiątki, jeśli nie setki wersji.
Procesory ARM stopniowo przejmowały udziały w rynku, przede wszystkim kosztem Intela (Core i Celeron w wersjach embedded oraz Atom); 7–8 lat temu ich udział w rynku można było szacować na 30–40%, 3 lata temu układy Intela przeważały na wykresie popularności poszczególnych typów, a dzisiaj są na czele (patrz wykres).
Drugim spostrzeżeniem jest pomijalnie mała (wg badania ankietowego) pozycja komputerów z procesorami AMD Ryzen. Procesor ten ma znaczący udział w segmencie konsumenckim (domowe pecety i laptopy), wersja embedded przeznaczona do SBC jest dobrze oceniana pod kątem zbalansowania parametrów technicznych (wydajność, TDP itd.), niemniej to wszystko nie tworzy przełomu i ryzeny są mało popularne. Prawdopodobnie dlatego, że inne układy są równie dobre.
W porównaniu do naszych poprzednich zestawień widzimy zamianę miejsc układów Intelowych z armowymi. Jeszcze 3 lata temu na pozycjach 1–2 były układy Intela, a ARM-y plasowały się na 3. i 4. Teraz jest odwrotnie, co ilustruje, jak zmienia się rynek i jak sektor SBC coraz silniej opiera się na procesorach z rdzeniami ARM.
Przegląd rynku w tabeli
Dane z przeglądem ofert dostawców komputerów jednopłytkowych pokazany został w tabeli 1. Jest ona podzielona na kilka części poświęconych głównym grupom produktowym z tego obszaru, takim jak: moduły SOM/COM, płytki PC/104, komputery w formacie 2,5–3,25", platformy open source i podobne do nich rozwiązania a także płyty pecetowe. W tabeli 2 podajemy dane kontaktowe do firm.
Źródłem wszystkich danych przedstawionych w tabelach oraz na wykresach są wyniki uzyskane w badaniu ankietowym przeprowadzonym wśród dostawców komputerów jednopłytkowych w Polsce.
