Lansarea factorului de formă COM-HPC Mini marchează începutul unei noi ere pentru computerele embedded compacte, bazate pe module COM (Computer-on-Module) de dimensiunea unui card de credit. Această a treia generație va oferi dezvoltatorilor o creștere masivă a performanțelor și mai multe interfețe decât oricând.
Figura 1: A treia generație de module de mărimea unui card de credit se apropie: În ciuda faptului că măsoară doar 95×60 mm, modulele COM-HPC client în format Mini vor oferi un set complet de interfețe, inclusiv 16x PCIe, 3x grafică și mai multe interfețe USB4. (© congatec).
O privire asupra evoluției computerelor pe modul (COM) de mărimea unui card de credit arată că piața ar putea produce și alte variante. Prima generație de astfel de module standardizate – DIMM PC – a fost înlocuită de COM Express Mini, fiind urmată de Qseven și, ceva mai târziu, de SMARC. Aceste două alternative la COM Express Mini au fost create pentru a economisi costurile aferente conectorului, ceea ce părea important pentru implementările de procesoare “low-cost”, de mică putere, cu un consum de energie de câțiva wați. Un alt motiv a fost ambiția de a deservi procesoarele ARM, ceea ce nu era posibil cu COM Express. În schimb, COM-HPC Mini vizează zona de înaltă performanță a COM-urilor de dimensiunea unui card de credit și este probabil să fie singura alegere reală pentru acest segment.
COM-HPC Mini este, de asemenea, o alternativă pentru migrarea soluțiilor de dimensiuni mai mari, COM Express Compact (95×95 mm) și COM Express Basic (95×125 mm) către module de dimensiunea unui card de credit. Acest lucru este valabil mai ales în cazul volumelor mari de producție pentru aplicații cu factori de formă mici și medii – atât timp cât procesorul se potrivește cu factorul de formă. Pentru astfel de proiecte, COM-HPC Mini oferă un potențial uriaș de economisire a spațiului fără pierderi de performanță și, practic, fără pierderi de interfețe. COM-HPC Mini poate accelera considerabil tendința de miniaturizare în acest segment, care – după cum arată istoria COM-urilor de mărimea cardului de credit – a înregistrat o creștere imensă a performanțelor și a densității interfețelor.
DIMM PC a fost primul modul de dimensiunea unui card de credit
Figura 2: Extrem de atractiv: Lansat în anul 2000, DIMM PC “Little Donkey” a fost primul modul care a integrat grafică și a fost considerat la vremea respectivă drept cel mai mic IPC din lume (© SAMS Network).
Unul dintre pionierii din piața computerelor pe modul a fost Hans Mühlbauer, multă vreme implicat în activitățile companiei congatec, specializată în produse COM. La începutul anilor 1990, Hans Mühlbauer – pe atunci proprietarul companiei JUMPtec – a lansat primele module echipate cu procesor Intel 80C88 de 9,54 MHz bazate pe magistrala AT/ISA96 (foarte răspândită la acea vreme) memorie DRAM de 640 kB și conector ‘edge card’ cu 120 de linii de semnal și de alimentare cu factor de formă de 100×160 mm. El a dezvoltat, totodată, specificația modulului DIMM PC la începutul mileniului, acesta având dimensiunea unui card de credit de 68×40 mm iar conectorul său avea 144 de pini. Modulele DIMM PC erau semnificativ mai compacte decât primele COM-uri ModulAT, dar ofereau mai multe interfețe – în ciuda amprentei mai mici.
Astfel, modulele DIMM PC au marcat începutul primei ere a COM-urilor de dimensiunea unui card de credit. Acest factor de formă a fost foarte ușor de comercializat: În 2000, de exemplu, un model cu această specificație a fost declarat cel mai mic PC industrial din lume al momentului. Desigur, modulul – numit Little Donkey – era ceva mai mare decât permitea specificația DIMM-PC (68×55 mm). Dar exact din acest motiv, micul “cal de bătaie” a fost capabil să implementeze și grafica, oferind astfel pentru prima dată toate funcțiile necesare pentru un PC industrial. Precedentele PC-uri DIMM nu suportau grafică.
Destinat tuturor aplicațiilor mici și eficiente energetic
Inima computerului industrial DIMM a fost un STPC compatibil x86 de 100 MHz. Principalele ținte au fost dispozitivele de mici dimensiuni proiectate pentru achiziția mobilă de date și implementate, de exemplu, în sistemele de căi ferate sau în terminalele operatorilor pentru controlul prezenței și al accesului. Aceste PC-uri au fost, de asemenea, recomandate pentru utilizarea în automatele de vânzare și în sistemele din chioșcuri. Într-un proiect de server de internet, intenția de atunci era de a implementa procese descentralizate pentru vizualizare, întreținere, monitorizare și control la distanță. Așadar, în principiu, la acea vreme se vorbea deja despre IoT, Industrie 4.0 și 5G; doar că aceste cuvinte, la modă, nu existau, încă. De fapt, tot ce trebuia să fie mic, cu consum redus de energie și mobil putea fi pus în aplicare cu un astfel de dispozitiv.
Figura 3: De la µQseven la COM-HPC, numărul de pini și dimensiunile sunt în creștere. Cu toate acestea, toți factorii de formă prezentați au aproximativ dimensiunea unui card de credit (85,6×53,98 mm). (© congatec)
Cu toate acestea, performanța acelor PC-uri DIMM și numărul de interfețe furnizate erau departe de ceea ce oferă astăzi lumea embedded. Pe lângă faptul că dispuneau de o memorie DRAM de 32 MB și un BIOS Flash pe 8-biți de 512 kB, modulele includeau un bus ISA și PCI, acesta din urmă era descris ca fiind modern. Hard disk-urile IDE și unitățile de dischetă erau încă mediile de stocare obișnuite ale vremii. Erau disponibile, de asemenea, o imprimantă paralelă LPT și două interfețe seriale, pe lângă un mouse PS/2 și o tastatură PC/AT. Din cauza numeroaselor interfețe paralele, mai era loc pentru doar câteva interfețe I/O, până când conectorul DIMM-PC cu 144 de pini a fost utilizat în totalitate. Conectorul folosit la acea vreme – nomen est omen – era cel care fusese specificat în 1999 pentru modulele de memorie SO-DIMM. Neavând spațiu liber, grafica trebuia executată printr-un conector suplimentar. (n.red.: Expresia latină “nomen est omen”este o locuțiune de notorietate a cărei traducere literală (cuvânt cu cuvânt) ar fi: “numele este un destin”) – dexonline)
Calculatoarele pe modul se lansează începând cu anul 2000
În anii care au urmat, COM-urile s-au impus ca fiind cel mai important principiu de proiectare pentru sistemele embedded. Acest lucru este valabil în special pentru clasa de performanță de mijloc și de vârf a modulelor ETX, COM Express, COM-HPC și a modulelor de mărimea unui card de credit. Studii precum cele realizate de IHS Markit au constatat că, în 2020, calculatoarele pe modul reprezentau aproximativ 38% din vânzările totale de plăci, module și sisteme de calcul embedded. Unul dintre principalele argumente pentru utilizarea modulelor a fost acela că nu era nevoie să găzduiască toate funcțiile pe o placă monolitică, pentru a amortiza ciclurile rapide de inovare ale unităților centrale de procesare. La acea vreme, Intel și AMD aduceau pe piață noi procesoare la fiecare 6 luni. Prin urmare, modulele erau esențiale pentru industrie ca să asigure longevitatea necesară proiectelor, deoarece nu se știa sigur cât timp vor mai fi disponibile procesoarele mai vechi. Desigur, această scalabilitate a făcut posibilă crearea de versiuni, care diferă între ele din punct de vedere al performanței. Argumentul reducerii complexității proiectării plăcii I/O este, de asemenea, foarte important. De regulă, plăcile I/O necesită semnificativ mai puține ‘layere’ (straturi), fapt care scade costul de proiectare a PCB-ului. Reducerea consumului de putere și a căldurii reziduale cu fiecare nou modul a jucat, de asemenea, un rol important. În plus, utilizatorii au dorit întotdeauna să aibă acces la cele mai recente procesoare – o cerere care a rămas neschimbată până în prezent. Acest lucru este, de asemenea, ușor de realizat cu ajutorul modulelor.
Figura 4: O comparație directă între COM-HPC Mini și COM Express Mini împreună cu COM-HPC Size A, care este mai mare. (© congatec)
Modulele rezolvă problema aglomerării de cabluri
Primele module au apărut pe piață într-un moment în care tehnologia x86 era încă la început. La acea vreme, x86 și Windows nu erau deja consacrate în industrie și încă se luptau cu “ecranul albastru” (n.red.: indicația unei erori critice de sistem). În acest sens, modulele arătau mai degrabă ca niște produse-pirat ale unei industrii nou apărute în loc să reprezinte începutul unui nou ciclu de viață al unei generații întregi și consacrate de module standard.
JUMPtec a elaborat o specificație la acea vreme și, practic, a făcut munca de pionierat necesară dezvoltării business-ului cu module la nivel mondial. Cu succes, dacă ne uităm la evoluțiile ulterioare până acum. Un argument valabil pentru module a fost oferit și de factorul de formă SBC PC/104, care nu oferea suficient spațiu pentru conectori atunci când erau montați pe aceeași parte cu procesorul și chipset-ul. Dar când solicitările clienților pentru mai multă conectivitate s-au făcut auzite, conectorii au fost montați (la comandă) și pe partea opusă a PCB-ului pentru a face posibilă conectarea și mai multor periferice. Principiul de proiectare PC/104 din acea vreme a însemnat, totodată, că I/O-urile trebuiau să fie direcționate către carcasă cu ajutorul unor cabluri. Aglomerația de cabluri rezultată a dus la o mai mare expunere la erori de sistem, ceea ce a însemnat că o cablare curată și ordonată caracteriza la acea vreme o proiectare bună a sistemului. Un argument important pentru conceptul de modul a fost, așadar, acela de a limita dezordinea cauzată de cabluri prin conectarea I/O-urilor externe la carcasă prin intermediul unei plăci purtătoare (carrier board) specifice aplicației, fără niciun cablu. Aceste argumente sunt valabile pentru toate standardele de module, indiferent de clasa de performanță și, prin urmare și pentru modulele de dimensiunea unui card de credit.
Figura 5: Primele prototipuri de module COM-HPC Mini bazate pe procesoare Intel Atom și plăcile purtătoare corespunzătoare sunt deja în curs de dezvoltare. (© congatec)
Luptă dură pentru cel mai bun concept de modul
Oricum, factorul de formă DIMM-PC pentru aceste module de dimensiunea unui card de credit bazate pe ISA/PCI nu a avut un succes rapid. Și asta nu din cauză că ar fi existat foarte multe alternative, așa cum s-a întâmplat în gama de performanță medie și înaltă, unde mai multe concepte de module au concurat o vreme, până când ETX s-a impus, în cele din urmă. Provocarea cu modulele de mărimea unui card de credit a fost mai curând legată de dimensiunile acestora, care nu mai erau potrivite pentru noile procesoare și chipset-uri x86. Pentium M, introdus în 2003 – o revoluție pentru piața embedded de la acea vreme – pur și simplu nu încăpea pe un asemenea modul. Din acest motiv, doar procesoarele cu consum mic de putere puteau fi folosite pe PC-urile DIMM, cum ar fi 568 ZFx86 de la ZF Micro Devices, cu o viteză de ceas, de 128 MHz, sau STPC Elite de la STMicroelectronics.
COM Express Mini
Odată cu adoptarea pe scară largă a bus-ului PCI Express și cu încetarea suportului ISA, a fost nevoie de o nouă specificație pentru module: COM Express. Adoptat oficial de către comitetul de standardizare PICMG în 2005, procesul de standardizare a durat un an și jumătate de la prima prezentare a conceptului, în colaborare cu Intel, în toamna anului 2003. De la Rev. 2.0 din 2010 până la actuala Rev. 3.0, specificația COM Express a fost dezvoltată continuu sub conducerea editorului de proiecte Christian Eder, care a lucrat inițial pentru Mühlbauer la JUMPtec, mai târziu la Kontron, iar acum la congatec. Pe lângă formatele de mare succes COM Express Basic (125×95 mm) și COM Express Compact (95×95 mm), a mai fost specificat și factorul de formă COM Express Mini (84×55 mm) pentru modulele de tip card de credit. Pentru prima dată, exista o specificație pentru toate dimensiunile curente. Acest ecosistem unitar a încurajat principalii furnizori de sisteme de automatizare din întreaga lume să își bazeze proiectele de PC-uri și controlere compacte pe șină DIN, unde spațiul este foarte limitat pe această specificație, deoarece le permitea să utilizeze același standard pentru toate soluțiile din portofoliul lor – cu avantaje suplimentare, precum ghiduri de proiectare și componente standardizate.
Figura 6: Ecosistemul COM-HPC descrie în ansamblu cea de-a treia generație a tuturor computerelor pe modul și oferă vârful de gamă actual al fiecărui factor de formă, pentru care nu există în prezent alternative în alte standarde. (© congatec)
Modulele COM Express Mini au luat avânt odată cu lansarea primelor procesoare Intel Atom în 2008, acestea fiind primele care ofereau un controler de sistem “all-in-one”, cu alte cuvinte, combinau puntea de nord (North Bridge) cu cea de sud (South Bridge). Prin urmare, acestea se potrivesc perfect pe COM Express Mini și chiar și astăzi – la 17 ani de la lansarea PICMG – sunt procesoarele dominante pentru această dimensiune, deși există și furnizori de module cu procesoare AMD Ryzen sau chiar cu procesoare Intel Core din generația a 8-a. Portofoliul de module disponibile astăzi la congatec, de exemplu, variază de la a treia generație Intel Atom, trecând prin a patra și a cincea, până la actualele procesoare Intel Atom x6000E Series, precum și la procesoarele Intel Celeron și Pentium N & J (nume de cod Elkhart Lake).
SMARC devansează COM Express Mini
În plus față de COM Express Mini, au mai fost elaborate două specificații suplimentare: SMARC (82×50 mm) și µQseven (70×40 mm). Acestea sunt acum găzduite ca standarde independente de furnizori de către cel de-al doilea organism de standardizare pentru tehnologia computerelor embedded, care a fost înființat în 2012. Un factor declanșator pentru dezvoltarea acestor specificații a fost dorința de a integra și procesoarele ARM, care deveneau din ce în ce mai populare alături de tehnologia x86. Acest lucru, însă, nu a fost posibil în cazul COM Express Mini. Un al doilea motiv a fost dorința de a reduce costurile. În cazul COM Express, atât placa purtătoare (carrier), cât și modulul în sine trebuie să includă un conector. SMARC și µQseven, pe de altă parte, au nevoie doar de un conector ‘edge card’. Ambele standarde folosesc conectorul dezvoltat pentru plăcile grafice MXM, care este utilizat în notebook-uri. Într-un fel, principiul de proiectare DIMM-PC de a prelua standardele de conectare din sectorul IT este valabil și aici.
SMARC, cu cei 314 pini ai săi, a avut cel mai mare succes în ceea ce privește formatul de tip card de credit. În comparație, µQseven are doar 230 de pini. Numărul de pini ar putea fi un motiv pentru care SMARC domină piața modulelor de tip card de credit, depășind COM Express Mini, chiar dacă, per ansamblu, COM Express este factorul de formă dominant, cu toate dimensiunile și pinout-urile sale diferite pentru modulele client și server. De asemenea, SMARC deservește cu siguranță o gamă mai largă de procesoare decât COM Express Mini. În ceea ce privește tehnologia procesoarelor Intel și AMD, este imposibil, să se concluzioneze pe baza statisticilor disponibile, care standard este, în cele din urmă, dominant. Realitatea este, totuși, că SMARC oferă cu 43% mai mulți pini decât COM Express Mini și cu 37% mai mulți decât µQseven. Cu toate acestea, µQseven nu este în declin. Dimpotrivă: Se preconizează că fratele său mai mare, Qseven, va înregistra cea mai mare creștere între 2022 și 2026, ceea ce se va transfera cu siguranță asupra µQseven. În mod evident, segmentul ‘low-end’ cu mai puține funcții prosperă și el datorită tendinței IoT.
Singura constantă este schimbarea
La fel ca și în alte domenii, progresul tehnologic în lumea modulelor este continuu, motiv pentru care a sosit timpul să se lanseze cea de-a treia generație de computere pe modul de mărimea unui card de credit. Prezentată la embedded world 2022, noua specificație COM-HPC Mini are rolul de a permite aplicații noi și compacte, care necesită niveluri de performanță mai ridicate decât cele pe care le suportă actualul COM Express Mini. Grupul de lucru PICMG pentru COM-HPC a fost oarecum reticent în a dezvolta aceste noi standarde pentru acest factor de formă, deoarece toată atenția era concentrată pe noile module server și client de vârf. Iar, odată cu lansarea COM-HPC, utilizatorii COM Express Mini au început să se întrebe dacă nu cumva ar putea exista o nouă generație de module și pentru ei. Întrebările nu vin însă numai din partea utilizatorilor COM Express Mini, ci și din partea grupului COM Express Compact – tocmai pentru că miniaturizarea sistemelor existente poate fi implementată în acest mod.
Ce oferă COM-HPC Mini?
COM-HPC Mini va oferi multe interfețe pe care COM Express nu le poate acoperi, cum ar fi USB 3.2 cu 20 Gbiți/s, USB 4.0 cu 40 Gbiți/s, PCIe Gen4/5 cu până la 16 benzi, NVMe și multe altele. Noul conector este esențial pentru această nouă specificație. Conectorul COM Express actual este limitat la PCIe Gen 3.0 cu o frecvență de ceas de 5,0 GHz și 8 Gbiți/s. Noul conector suportă rate de transfer de peste 32 Gbiți/s, suficient pentru a susține PCIe Gen 5.0 sau chiar Gen 6.0. În plus, noile generații de procesoare pentru aplicații de calcul periferic (edge computing) au nevoie de mai multe interfețe decât până acum. COM-HPC Mini va aborda acest aspect prin furnizarea a 400 de pini pentru placa ‘carrier’ – ceea ce reprezintă cu 81% mai mult decât COM Express Mini. Comparativ cu SMARC, este totuși o creștere de 27%. În comparație cu COM Express Basic sau Compact, care oferă ambele 440 de pini, este disponibilă 90% din capacitatea modulelor client Type 6 cu drepturi depline sau a modulelor server ‘headless edge’ (Type 7). Oricine nu are nevoie de întreaga capacitate de 100% poate, în consecință, să aleagă o altă soluție.
Dezvoltatorii de proiecte de sisteme bazate pe oricare dintre acești factori de formă existenți se confruntă acum cu decizia de a trece la noul factor de formă COM-HPC Mini pentru următoarea generație a sistemelor lor. Cu toate acestea, COM-HPC Mini nu trebuie înțeles ca un înlocuitor pentru COM Express Mini sau SMARC. Și așa cum COM Express nu a înlocuit ETX, nici COM-HPC nu va înlocui COM Express. Este o practică uzuală să continuăm să susținem proiectele existente pentru o perioadă lungă de timp. Chiar și în prezent, mai există module ETX/XTX pe care clienții le pot implementa pe baza principiilor de proiectare de la acea vreme. În acest sens, noul standard pentru modulul COM-HPC Mini dovedește, de asemenea, că ideile de bază care se aplicau atunci sunt valabile și astăzi – doar că la un alt nivel de performanță. Desigur, sarcinile implicate în proiectarea noilor procesoare au devenit, între timp, mult mai complexe. De aceea, astăzi, este mult mai logic să decuplezi I/O-urile de modulul de procesor prin utilizarea unei plăci purtătoare (carrier) specifice aplicației, în loc să integrezi toate componentele pe o singură placă PCB.
Când vor fi disponibile modulele COM-HPC Mini?
Departamentele de dezvoltare ale unor companii precum congatec lucrează deja la turație maximă pentru a defini detaliile specificației în cadrul grupului de lucru PICMG. De asemenea, acestea analizează cu atenție primele concepte de proiectare COM-HPC Mini bazate pe cea mai recentă tehnologie de procesor, pe care producătorii de semiconductori, cum ar fi Intel, le împărtășesc cu ei prin intermediul programelor de acces timpuriu. Primele module COM-HPC Mini de la congatec ar putea fi prezentate chiar în prima jumătate a anului 2023. Așadar, acum este momentul să evaluați COM-HPC Mini atunci când inițiați noi proiecte.
Apropo, nu este nevoie ca dezvoltatorii să se îngrijoreze dacă nu cumva ar putea exista și o nouă generație de SMARC în pregătire. Nu există, în prezent, niciun conector ‘edge card’ care să ofere, de asemenea, 400 de pini și debitul care vine cu ei. Teoretic, standardul OSM ar putea fi o alternativă; dar, întrucât acesta specifică module care pot fi lipite, este greu de comparat cu modulele care se pot introduce în socluri. OSM Size-M (mediu) oferă 476 de pini pe 30×45 mm, în timp ce Size-L (mare) măsoară 45×45 mm și surprinde cu 662 de pini BGA. Cu toate acestea, procesoarele de înaltă performanță sunt prea mari pentru acest format, așa că va mai trece ceva timp până când astfel de soluții vor fi pregătite pentru clasa de procesoare Intel Atom.
Figura 7: Reperele COM pe scurt. (© congatec)
ETX, COM Express și COM-HPC
Pe lângă piața computerelor pe modul de mărimea unui card de credit, există și o piață pentru modulele de calculatoare cu performanțe medii și înalte. ETX și COM Express sunt doi factori de formă ‘Computer-on-Module’ care au fost definiți de organisme de standardizare independente pentru acest sector, impunându-se și oferind tot mai multe performanțe la niveluri semnificativ mai ridicate pe măsura progresului tehnologic. Cu COM-HPC, o a treia generație a fost lansată în 2019 pentru a răspunde celor mai înalte cerințe de performanță ale dispozitivelor, mașinilor și sistemelor cu conectivitate în bandă largă și 5G. Ca și COM Express, aceasta oferă atât module server, cât și module client. Modulele de dimensiunea unui card de credit completează oferta ambelor specificații.
Istoria standardelor ETX, COM Express și COM-HPC de medie și înaltă performanță a fost descris în detaliu în revista “Electronica Azi” nr. 3 din luna Aprilie 2021 (https://issuu.com/esp2000/docs/electronica_azi_nr_3_aprilie-2021_digital). Acest articol poate fi, de asemenea, citit online aici: https://www.electronica-azi.ro/2021/04/11/al-treilea-ciclu-de-performanta-pentru-modulele-com/.
În concluzie, nu există, practic, nicio modalitate de a ocoli COM-HPC Mini. Pentru dezvoltatori, acest lucru înseamnă, mai presus de toate, cea mai mare siguranță posibilă în proiectare.
Despre autor
Zeljko Loncaric, este inginer în cadrul departamentul de Marketing al companiei congatec.
