Przegląd standardów komputerów modułowych CoM

Według analiz rynkowych przeprowadzonych przez agencję IHS Markit, komputery modułowe CoM są najczęściej używaną wersją takich produktów w systemach embedded. Lokują się one w rankingach nawet przed klasycznymi rozwiązaniami jak Mini-ITX lub 3,5-calowymi komputerami jednopłytkowymi (SBC). Ich ogromna popularność wynika z udanego połączenia specyficznego dla aplikacji klienta projektu płytki aplikacyjnej z gotowymi do użycia i łatwymi do zintegrowania modułami komputerów, które zawierają wszystkie niezbędne sterowniki i oprogramowanie firmware.

Te moduły zawierają wszystkie kluczowe elementy składowe, takie jak procesor, pamięć RAM, szybkie interfejsy komunikacyjne, a często także jednostkę graficzną. Kolejną zaletą jest fakt, że moduły komputerowe o tym samym standardzie, a więc przy kompatybilności pinowej i mechanicznej są wymienialne, zarówno w zakresie różnych generacji procesorów, jak i między producentami. Daje to producentom OEM elastyczność skalowania i uaktualniania ich aplikacji za pomocą najnowszych pojawiających się na rynku nowych procesorów nawet po kilku latach. Ułatwia także korzystanie z wielu dostawców, co zapewnia korzyści cenowe, a przede wszystkim gwarantuje dostępność i małe ryzyko. Istnieją dwa niezależne komitety zajmujące się standaryzacją modułów: PICMG, który jest zlokalizowany w USA oraz niemiecki SGET. Razem te organizacje rozwijają obecnie w sumie cztery standardy komputerów COM, przy czym większość z nich zapewnia wiele wariantów. Standardami tymi są COM-HPC i COM Express dla segmentu high-end oraz SMARC i Qseven dla segmentu low power.

 

Otwarte i niezależne od producenta standardy komputerów modułowych CoM zapewniają cykl życia aplikacji przez kilkadziesiąt lat. Producenci OEM nadal mogą dziś kupować nowe moduły ETX, mimo że produkt ten jest wykorzystuje wyłącznie starsze magistrale. Dzięki kompatybilności wstecznej standardy oparte na PCIe będą funkcjonować jeszcze dłużej.

COM-HPC zapewnia wydajność

COM-HPC - najnowszy standard zdefiniowany przez PICMG dla komputera modułowego zostanie wkrótce oficjalnie ratyfikowany. Jak wskazuje nazwa określa on grupę wysokowydajnych komputerów embedded, których wydajność przewyższa wiodący dotychczas na świecie standard COM Express. COM-HPC obsługuje nowe szybkie interfejsy, takie jak PCI Express 4.0 i 5.0, a także Ethernet 25-gigabitowy. Dostępne są dwie różne wersje modułów, które zostały opracowane przez Podkomitet COM-HPC pod przewodnictwem Christiana Edera z firmy Congatec: serwer COM-HPC i klient COM-HPC. Ich główne różnice techniczne dotyczą wymiarów i rozkładu wyprowadzeń, liczby i rodzaju obsługiwanych interfejsów oraz pojemności pamięci.

Moduły serwerowe COM-HPC

 

Komputery CoM są najlepszym wyborem dla systemów embedded i przewyższają klasyczne rozwiązania nieoparte na standardach przemysłowych
https://technology.informa.com/615949/iot-innovation-emerges-as-the-key-driver-of-the-industrial-embedded-computing-market

Serwer COM-HPC zapewnia najwyższą wydajność obliczeniową dla systemów embededd, dla potrzeb nowych serwerów brzegowych i chmurowych działających w trudnych środowiskach, które muszą radzić sobie z coraz większymi obciążeniami. W tym celu serwer COM-HPC określa dwa rozmiary footprintów z maksymalnie 64 liniami PCIe i transmisją do 256 GB/s, a także z 8 portami Ethernetu o przepustowości 25 Gbit/s każdy. Nowością jest to, że serwer COM-HPC nie ogranicza się do technologii x86, ale umożliwia także korzystanie z procesorów RISC, układów FPGA i GPGU - co dodaje nowe perspektywy. Aby spełnić wymagania aplikacji serwerowych, moduły oferują również tryby master-slave i pozwalają na zdalne zarządzanie. Przy wykorzystaniu zestawu instrukcji standardu IPMI, sprawia to, że technologia serwerowa staje się również dostępna dla serwerów modułowych (SoM, Server-on-Modules). Dzięki modułom serwerowym COM-HPC oferującym budżet mocy do 300 watów ten standard jest odpowiedni do tworzenia wysokowydajnych wbudowanych serwerów brzegowych i chmurowych. Dla porównania, najmocniejsze obecnie moduły serwerowe COM Express Type 7 mają budżet mocy do maksymalnie 100 W. Kolejna różnica kryje się w liczbie pinów sygnałowych: złącze COM Express ma 440 pinów, podczas gdy COM-HPC ma ich prawie dwa razy więcej (800).

Moduły klienckie COM-HPC

Moduły klienckie COM-HPC są przeznaczone do budowy wysokowydajnych systemów embedded ze zintegrowaną grafiką. Mają cztery wyjścia graficzne realizowane za pośrednictwem trzech cyfrowych interfejsów wyświetlacza (DDI) i jednego Display Port (eDP). Obsługują do czterech gniazd SO-DIMM i maksymalnie 128 GB pamięci RAM. Do podłączenia urządzeń peryferyjnych dostępnych jest 48 linii PCIe i 2× USB 4.0. Moduły wbudowanej kamery przez dwa interfejsy MIPI-CSI. Moduły klienckie COM-HPC będą dostępne w trzech różnych wymiarach płytki: 120 × 160 mm (rozmiar C), 120 × 120 mm (rozmiar B) i 120 × 95 mm (rozmiar A).

COM Express - najbardziej udany standard modułowych komputerów

Najmniejszy dostępny rozmiar płytki klienta COM-HPC ma prawie takie same wymiary jak COM Express Basic (o wymiarach 125 × 95 mm). To pokazuje, że rozwiązania klient COM-HPC znajdują się technologicznie znacznie powyżej tego co zapewnia COM Express i celują w aplikacje, dla których COM Express jest już za słaby - został on wprowadzony na rynek w 2005 r. Specyfikacja definiuje serię różnych rozmiarów tych modułów i rozkładu wyprowadzeń. W przeciwieństwie do COM-HPC i małych modułów (SFF) takich jak Qseven i SMARC, COM Express obsługuje wyłącznie procesory x86.

 

Interfejsy COM-HPC Client i COM Express Type 6 różnią się głównie liczbą magistral PCIe i ich przepustowością, liczbą interfejsów ethernetowych i portami USB, a także możliwościami w zakresie zdalnego zarządzania.

Moduły SoM COM Express Type 7

Podobnie jak jest dla COM-HPC, w COM Express również występują moduły serwerowe i klienckie, które są dostępne głównie w znanych rozkładach wyprowadzeń (pinoutach) typu 6 (klient) i typu 7 (serwer). Podobnie jak jest w przypadku COM-HPC, pinout serwera typu 7 jest SoM-em bez wyjść graficznych i jest również przeznaczony do wbudowanych serwerów brzegowych i chmurowych. W szczególności obsługuje do czterech linii 10 GbE i do 32x szybkich linii PCIe Gen 3.0 dla realizacji interfejsów i obsługi nośników pamięci. Te SoM-y występują z procesorami z rodzin Intel Xeon D lub AMD EPYC Embedded 3000. Dla nich congatec oferuje również platformy dla modułów 100-watowych z gotowymi do zastosowania rozwiązaniami chłodzącymi, aby uprościć projektowanie najbardziej wydajnych modułów COM Express Server-on-Modules.

Moduły COM Express Type 6

W przypadku klasycznych aplikacji embedded z wymaganą grafiką idealnym wyborem są moduły PICMG COM Express Type 6. Są wyposażone w różne procesory klasy embedded: od Intel Core, przez Pentium i Celeron aż po AMD Embedded R. Produkowane są w wersjach o wymiarach 95 × 125 mm (tzw. podstawowa) lub 95 × 95 mm (tzw. kompaktowa) i mają 440 pinów. Komunikują się z obwodami na płycie bazowej za pomocą szerokiej gamy nowoczesnych interfejsów. Obsługiwane jest do czterech niezależnych wyświetlaczy, 24 linie PCIe, USB 2.0 i USB 3.0, a także Ethernet, magistrala CAN i interfejsy szeregowe. Rozwiązania te mają wszystko, co potrzebne do budowy wydajnych sterowników PLC, interfejsów HMI, systemów działających na hali produkcyjnej lub stacji roboczych SCADA w sterowniach. Inne obszary zastosowań obejmują wysokiej klasy cyfrowe systemy digital signage i wysokiej jakości sprzęt medyczny wykorzystywany w obrazowaniu diagnostycznym.

Moduły COM Express Type 10 Mini

Najmniejszy rozmiar modułów - COM Express Mini ma wymiary 55 × 84 mm, jest definiowany przez pinout PICMG Type 10 i uzupełnia zestaw specyfikacji COM Express dla projektów klasy SFF. Moduły te wykorzystują procesory Intel Atom i Celeron o małej mocy. Ponieważ w całym środowisku PICMG COM Express wykorzystuje się takie same złącza i rozwiązania projektowe, konstruktorzy mogą cały czas wykorzystywać dotychczasowy dorobek, co jest główną zaletą tej mini specyfikacji. Jednak standardy SGET SMARC i Qseven są częściej stosowane - oba obsługują procesory x86 oraz ARM.

Qseven w systemach embedded

Różnice między Qseven i SMARC to m.in. inne wymiary (Qseven: 70 × 70 mm, SMARC: 82 × 50 mm), a jeśli chodzi o złącza, to Qseven ma 230 pinów a SMARC 314 pinów. Qseven nadaje się zatem do miniaturowych projektów przemysłowych, takich jak te pracujące w bramach Internetu Rzeczy, zoptymalizowanych pod względem kosztów urządzeń HMI i automatach sprzedaży detalicznej. Dla nich Qseven oferuje 2x USB 3.0, 8x USB 2.0 i maksymalnie 4x interfejsy szeregowe lub magistralę CAN. Ponadto do modułu można podłączyć maksymalnie dwie kamery MIPI-CSI za pomocą płaskiego kabla elastycznego (flex). Qseven obsługuje ponadto port Gigabit Ethernet do połączenia z Internetem i obsługuje do trzech niezależnych monitorów. Obecne moduły Qseven firmy congatec są dostępne jako wersje x86 z procesorami Intel Atom (Apollo Lake) lub jako platformy ARM z nowymi procesorami i.MX 8 i i.MX 8X.

Tabela 1. Porty I/O dla COM Express Mini, Qseven 2.1 i SMARC 2.1

 

Główna różnica między Qseven a SMARC 2.1 polega na liczbie interfejsów, które dzielą obszary aplikacji systemy embedded budowane na Qseven i rozwiązania bardziej skupione na systemach wizyjnych na SMARC 2.0.

SMARC do systemów wizyjnych

Termin SMARC odnosi się do zaawansowanych aplikacji klasy SFF. Standard ten otrzymał niedawno ważną aktualizację 2.1, która dodała wiele nowych funkcji, takich jak obsługa SerDes poprawiająca możliwości komunikacyjne w urządzeniach infrastruktury brzegowej i dwa dodatkowe interfejsy do podłączenia łącznie 4 kamer MIPI-CSI, aby zaspokoić rosnące zapotrzebowanie ze strony aplikacji widzenia maszynowego i systemów wizyjnych. Nowe funkcje są wstecznie kompatybilne z wersją 2.0, a wszystkie rozszerzenia są opcjonalne, więc wszystkie moduły congatec SMARC 2.0 są automatycznie kompatybilne z SMARC 2.1.

Inną wyróżniającą cechą, oprócz dwóch dodatkowych interfejsów MIPI w złączu jest to, że SMARC obsługuje interfejsy bezprzewodowe, takie jak WLAN i Bluetooth, bezpośrednio przez chipy zawarte w module. Procesory używane w modułach SMARC to Intel Atom piątej generacji oraz cała gama nowych procesorów aplikacyjnych i.MX 8, które congatec oferuje w 12 różnych wersjach SMARC CoM.

 

Płytka bazowa SMARC 2.1 i skalowalny komputer 3,5-calowy jednopłytkowy: conga-SMC1 wypełnia lukę między konstrukcjami modułowymi, a skalowalnymi standardowymi płytami komercyjnymi.

Od projektów z modułami po rozwiązania standardowe

Komputery modułowe nie zawsze są wykorzystywane w indywidualnie tworzonych projektach urządzeń. Można też je również wykorzystać do celów elastycznego skalowania istniejących systemów, o czym przekonuje nowy 3,5-calowy komputer SBC firmy congatec. Ma on gniazdo SMARC i dzięki temu wypełnia lukę między projektami urządzeń opartymi na modułach komputerów a znormalizowanymi systemami embedded. Taki produkt jest przeznaczony do współpracy z całą gamą modułów congatec z procesorami NXP i.MX 8. Można też powiedzieć, że ten 3,5-calowy SBC jest próbą stworzenia uniwersalnej platformy typu COTS. Co więcej, dwa zintegrowane złącza MIPI-CSI 2.0 ułatwiają producentom OEM tworzenie aplikacji wizyjnych, ponieważ mogą teraz podłączać kamery MIPI bezpośrednio, bez dodatkowej płytki interfejsu. Kolejną korzyścią jest to, że mogą oni używać płytki jako platformy plug & play, obsługującej kamery różnych producentów, a nie tylko takie do których pasuje posiadany interfejs zewnętrzny. Wynika to z tego, że moduł ma zintegrowany również bootloader, system operacyjny, a także pasujące BSP i zoptymalizowane pod kątem procesorów oprogramowanie dla kamer.

Zeljko Loncaric, inżynier ds. marketingu, congatec AG
www.congatec.com