Komputery jednopłytkowe

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.

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 SoC, 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.

Najważniejsze dla klientów cechy ofert brane pod uwagę przy wyborze SBC

 

Komputer jednopłytkowy jest komponentem do budowy większego urządzenia lub systemu, stąd jego parametry, takie jak wydajność procesora, zasoby pamięci, dostępność komunikacji, interfejsy i podobne mają znaczenie pierwszorzędne. One definiują funkcjonalność i obszar aplikacyjny, stąd w największym stopniu przyciągają uwagę projektantów. Kolejne dwa kryteria, to czas dostawy i długoterminowa dostępność produktu, czyli zobowiązanie producenta, że produkt będzie w ofercie przez kilkanaście lat. Niska cena jest dopiero na piątej pozycji na wykresie.

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 telekomunikacyj nych, 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.

Standard mechaniczny, 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 konsorcjum, które dba o promocję, zgodność produktów pomiędzy producentami i o podobne działania.

Najważniejsze właściwości techniczne komputerów jednopłytkowych

 

Idealny komputer powinien mieć wbudowanych wiele interfejsów, dzięki którym jego integracja z aplikacją będzie łatwa, powinien pobierać niewielką moc przy jednocześnie dużej wydajności, mieć małe wymiary i stanowić odporną na narażenia środowiskowe konstrukcję pracującą niezawodnie przez lata. Oznacza to, że wybór jednostki jest procesem wielowymiarowym, wymagającym wielu kompromisów i dobrego zrozumienia swoich potrzeb. Wielowymiarowość oznacza, że kompromis w zakresie specyfikacji technicznej musi być jeszcze powiązany z marką producenta, ceną, formatem, architekturą procesora i dostępnym oprogramowaniem.

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.

Wartościowi odbiorcy komputerów

 

Komputery jednopłytkowe są produktem uniwersalnym, niemniej jak widzimy z wykresu, wartościowo dominują zastosowania z obszaru automatyki przemysłowej, na drugim miejscu uplasował się sektor reklamy i rozrywki (automaty do gier, reklamy, kioski informacyjne i podobne). Odrobinę mniej wskazań zebrały zastosowania omawianych produktów przez producentów OEM do wytwarzanych maszyn, urządzeń i systemów.

Kolejną cechą charakterystyczną jest to, że kolejne wersje są coraz mniejsze. Większość nieprzemysłowych i niestandardowych SBC jest również bardzo mała, dlatego form factor rozmiar 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.

Popularne procesory według liczby sprzedawanych sztuk

 

W zestawieniu popularnych procesorów pracujących w komputerach jednopłytkowych dominują 32-bitowe i 64-bitowe jednostki ARM, a po stronie Intela Atom i wersje embedded pecetowych Core i3-i7. Układy Cortex-M są na niższych pozycjach, gdyż z reguły trafiają one do mikrokontrolerów lub tworzą dodatkowy rdzeń o mniejszej wydajności w jednostkach 64-bitowych. W porównaniu do naszych poprzednich zestawień widzimy zamianę miejsc układów intelowych z armowymi, co ilustruje jak zmienia się rynek i jak sektor SBC coraz silniej opiera się na procesorach z rdzeniami ARM.

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.

Najważniejsze zjawiska pozytywne dla rozwoju rynku komputerów jednopłytkowych

 

Za najważniejsze czynniki sprzyjające rozwojowi rynku komputerów jednopłytkowych uznano rosnące znaczenie cyfryzacji przemysłu i stały wzrost znaczenia Internetu Rzeczy. Za bardzo ważne postrzegane są małe wymiary takich urządzeń zapewniające łatwość integracji oraz to, że producenci gwarantują ich długą dostępność. Jeszcze dekadę temu 10-letnie longevity było jakimś wyróżnikiem liderów, dzisiaj daje się kupić wybrane komputery z gwarancją dostępności przez 15-18 lat.

Czym się różnią SBC, SOM/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.

Moduł SoM (System-on-Module) lub CoM (Computer 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 na SoM składa się z co najmniej dwóch płytek.

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. Na skutek tego 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 rynek też 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 zapasów. 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. W efekcie wzrostu cen materiałów, kosztów pracy i mediów konieczne staje się przeliczenie opłacalności wielu inwestycji i projektów.

Najważniejsze czynniki negatywne dla rynku SBC

 

Czynniki negatywne dla rozwoju rynku to oczywiście długie czasy dostaw, które niestety w dużej mierze dotyczą procesorów wykorzystywanych w takich produktach. Na kolejnych dwóch miejscach wymieniono "tradycyjne" bolączki rynku elektroniki, tj. niewielką orientację klientów w rynku, produktach i technologiach a także dużą konkurencję. Co ciekawe, platformy open source nie były wcześniej wymieniane jako konkurencja dla produktów firmowych i kryterium to dalej pozostaje na podobnej skali.

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. 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 aplikacjach komercyjnych, odbierając rynek rozwiązaniom specjalizowanym.

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 jeszcze się trochę zwiększyć, gdyż oferta produktowa szybko się poszerza w kierunku bardziej wydajnych i rozbudowanych sprzętowo jednostek, bazujących na 32-bitowych rdzeniach mikrokontrolerów.

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, wielu 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.