KOMPONENTY AUTOMATYKI PRZEMYSŁOWEJ - są podstawą cyfryzacji, jakości i narzędziem rozwoju technologii

Komputery jednopłytkowe do systemów embedded - zapewniają wydajność i elastyczność

Rosnącemu popytowi na komputery jednopłytkowe sprzyja głównie postępująca komputeryzacja w przemyśle, aplikacje w transporcie, budownictwie, a nawet w rozrywce. Powszechna automatyzacja i walka o klienta, wysokie wymagania klientów specjalistycznych odnośnie certyfikatów i warunków pracy oraz wzrost liczby aplikacji embedded stanowią główne czynniki napędowe dla rynku.

Krótkie serie lub wyroby wykonywane na zamówienie, rosnąca bardzo szybko komplikacja zagadnień i coraz droższa praca ludzka to naturalne czynniki rozwojowe dla komputerów jednopłytkowych. Niemniej ostatnio na skutek spadku cen, wielu nowych procesorów o znakomitych parametrach i większej świadomości klientów, można zauważyć, że komputery SBC, pamięci Flash stają się po prostu łatwo dostępne. W naszym otoczeniu jest coraz więcej urządzeń i sprzętu bazującego na komputerowym sterowaniu.

ARM-y RZĄDZĄ

Na rynek SBC przebojem weszły w ostatnich 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 x86 Intela jest w odwrocie. Procesory tego producenta są wybierane chętniej, gdy konieczne jest zapewnienie wysokiej mocy obliczeniowej, dobrych możliwości multimedialnych i graficznych.

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 jest wielu, także oferta rynku w zakresie SBC wydaje się bardzo szeroka, a ceny bardzo konkurencyjne.

Znaczenie poszczególnych kryteriów handlowych ofert w komputerach SBC

 

Zestawienie najważniejszych kryteriów składających się na ofertę handlową w zakresie komputerów jednopłytkowych można uznać za typowe dla rynku krajowego. Dwie pierwsze pozycje, a więc cena i parametry techniczne, zostały wskazane przez znakomitą większość pytanych, podobnie wysoko oceniono jakość i niezawodność. Tak jest prawie zawsze. Różnice dotyczą bardzo wysokiej pozycji długoterminowej dostępności produktu, która w przypadku innych urządzeń nie jest tak bardzo eksponowana w podobnych zestawieniach, to samo można powiedzieć o kompetencjach technicznych dostawcy i marce producenta. Innymi słowy, poza wymienionymi pewniakami, kupujący biorą pod uwagę to, czy komputer będzie w ofercie przez minimum kilka lat, im więcej, tym lepiej, cenią sobie kompetentnych dystrybutorów i patrzą na jakość przez pryzmat marki.

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.

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. Niemniej po chwili 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.

Główne branże i odbiorcy komputerów jednopłytkowych

 

Komputery jednopłytkowe trafiają przede wszystkim do aplikacji przemysłowych i służą do automatyzacji i komputeryzacji instalacji i systemów w takich zastosowaniach. Korzystają z nich też producenci OEM/ ODM tworzący w oparciu o nie swoje produkty. Trzecia pozycja grupuje zastosowania transportowe, gdzie małe komputerki są podstawą wielu systemów i instalacji. Istotną pozycję zajęły też zastosowania reklamowe, które od zawsze były postrzegane w tym obszarze jako znaczący klient, podobnie jak sektor rozrywkowy. Ten akurat okupuje dół wykresu, co jest znakiem, że ten sektor rynku ma już w kraju najlepsze czasy za sobą.

Poza nimi są tradycyjne płyty główne w wykonaniu przemysłowym w formatach Mini-ITX, MicroATX, ATX i EATX. Do tego dostępne są komputery jednopłytkowe (a więc z zamontowanym procesorem i pamięcią) o rozmiarach 5,25, 4, 3,5", a nawet o wielkości karty PICMG 1.3 jako System Host Board (SHB).

Są też moduły PC/104, PC/104-Plus, PCI-104, EPIC oraz EBX, a kolejne możliwości dają moduły płytek procesorowych SOM/COM, które są też dostępne w kilku formatach: ETX/XTX, COM Express w trzech odmianach Basic i Compact i Mini, SMARC, QSeven i uQSeven. Jak widać, wersji i pomysłów na "form factor" jest bez liku.

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 zajmowały na płytce drukowanej jak najmniej miejsca.

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 wielu rozwiązaniach SBC.

Popularne procesory wykorzystywane w SBC

 

Wykres ilustruje najpopularniejsze typy procesorów znajdujących się w kupowanych obecnie komputerach jednopłytkowych, a więc ARM- y A5– A9 – o średniej wydajności, które zdaniem pytanych są częściej wybierane niż produkty Intela z rodzin Core i Atom. Wydaje się, że wynika to z optymalnego z punktu widzenia zastosowań komputerów SBC połączenia wydajności poboru mocy i ceny oraz tego, że ARM- y łatwo jest scalić w ramach układu SoC w jeden chip z całą resztą. Procesory Core są sercem raczej jednostek wydajniejszych oraz tych o nieco większych wymiarach, a także ich ceny w porównaniu do najpopularniejszych ARM- ów są też wyższe. Stąd w zakresie małych komputerków w ostatnich latach ekspansja układów o architekturze ARM jest bardzo szybka.

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.

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.

PLATFORMY OPEN SOURCE

 

Przegląd ofert dostawców komputerów jednopłytkowych

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.

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.

Platformom open-source brakuje wielu cech niezbędnych w aplikacjach przemysłowych, czyli 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 i tym samym stają się one znaczącą częścią rynku, z którą trzeba się liczyć.

Prezentacje przykładowych firm powiązanych z tematyką tej analizy znajdują się na stronie: