Figura 1: Standardele deschise și independente de producător Computer-on-Module asigură că aplicațiile au un ciclu de viață de câteva decenii. OEM-urile pot achiziționa și astăzi noi module ETX, în ciuda faptului că acest factor de formă se bazează exclusiv pe vechile magistrale. Datorită compatibilității cu versiunile anterioare, standardele bazate pe PCIe vor mai exista încă mult timp.
Se întâmplă multe în piața computerelor pe modul de astăzi. Cu SMARC 2.1, acum este disponibilă o nouă versiune a specificației pentru modulele cu consum redus de putere. Și COM-HPC, standardul aplicațiilor de calcul embedded de înaltă performanță, care va apărea în curând, ridică multe întrebări noi. Deci, ce trebuie să știe producătorii de echipamente originale (OEM) și proiectanții de sisteme?
Conform statisticilor de la IHS Markit, tehnologia “Computer-on-Module” este larg utilizată în proiectarea embedded – chiar înaintea clasicelor plăci embedded, cum ar fi Mini-ITX sau computerele pe o singură placă de 3.5 inci (SBC – Single Board Computer). Popularitatea deosebită a unor astfel de proiectări de sisteme embedded provine din combinația lor de succes: flexibilitatea proiectării unei plăci de bază personalizate conform specificațiilor clientului cu disponibilitatea modulelor “gata de utilizare”, ușor de integrat, care includ toate driverele și firmware-ul necesare aplicației. Aceste super componente includ toate blocurile cheie precum CPU, RAM, interfețe de mare viteză și adesea unitățile grafice, într-un singur pachet cu funcții validate.
Un alt avantaj constă în faptul că dispozitivele “Computer-on-Modules” – care aparțin aceluiași standard – sunt inter-schimbabile, indiferent de generațiile de procesoare sau de producătorii de module. Acest lucru oferă OEM-urilor o flexibilitate deplină în scalarea și modernizarea soluțiilor lor cu cea mai recentă tehnologie de procesor chiar și după câțiva ani. De asemenea, ușurează punerea în aplicare a strategiilor multi-furnizor, care oferă avantaje în ceea ce privește prețurile și, mai ales, garantează disponibilitatea. Există două consorții independente care se ocupă de standardizarea modulelor: PICMG din America, și SGET din Germania; împreună, acestea supervizează în total patru standarde pentru computerele pe modul, majoritatea oferind numeroase variante. Aceste standarde sunt COM-HPC și COM Express pentru segmentul “high-end” și SMARC și Qseven pentru segmentul de mică putere.
Figura 2: Calculatoarele pe modul sunt prima alegere pentru dezvoltarea sistemelor embedded și depășesc soluțiile clasice de plăci embedded.
COM-HPC, noul reper de înaltă performanță
COM-HPC, cel mai recent standard “Computer-on-Module” de la PICMG, urmează să fie ratificat oficial. După cum sugerează și numele, COM-HPC (Computer-on-Module for High Performance Computing) se adresează unei generații de computere embedded a căror performanță, se află mult peste specificațiile existente în cel mai titrat standard la nivel mondial, COM Express. Noul standard COM-HPC vizează noi interfețe de mare viteză, cum ar fi PCI Express 4.0 și 5.0, precum și 25 Gigabit Ethernet. Standardul oferă două versiuni diferite de module, care au fost dezvoltate de subcomitetul COM-HPC al cărui președinte este domnul Christian Eder de la congatec: COM-HPC Server și COM-HPC Client. Principalele lor diferențe tehnice constau în dimensiunea amprentei, numărul și tipul de interfețe suportate și capacitatea memoriei.
https://technology.informa.com/615949/iot-innovation-emerges-as-the-key-driver-of-the-industrial-embedded-computing-market
Module COM-HPC Server
Standardul COM-HPC Server definește aplicații de calcul embedded de ultra-înaltă performanță, adresându-se noilor servere “edge” și “fog” aflate în medii dure, care trebuie să gestioneze sarcini de lucru din ce în ce mai masive. În acest scop, COM-HPC Server specifică două dimensiuni de amprentă cu până la 64 de benzi (lanes) PCIe și viteze de până la 256 Gigabyte/s, precum și până la 8x Ethernet cu 25 Gbit/s fiecare. Noutatea vine din faptul că standardul COM-HPC Server nu se limitează la platforma x86, ci permite și utilizarea procesoarelor RISC și a tehnologiilor FPGA și GPGU – care adaugă noi perspective de modularizare. Pentru a satisface cerințele aplicațiilor server, modulele oferă, de asemenea, moduri master-slave și management la distanță.
Figura 3: Caracteristicile cheie ale modulelor COM-HPC Server: Numărul extraordinar de mare de interfețe de mare viteză, lățimea de bandă excepțională și performanța oferită de serverul headless.
Utilizând setul de instrucțiuni al puternicului standard IPMI, acest lucru face ca tehnologia consacrată de server să fie disponibilă și pentru Server-on-Modules. Cu modulele COM-HPC Server, care oferă un buget de putere de până la 300 de wați, acest standard este potrivit pentru dezvoltarea de servere embedded “edge” și “fog” de înaltă performanță. Prin comparație, cele mai puternice servere pe module COM Express Type 7 de astăzi suportă maximum 100 de wați. O altă diferență semnificativă constă în numărul de pini de semnal: conectorul COM Express are 440 de pini, în timp ce conectorul COM-HPC oferă aproape de două ori mai mult: 800.
Module COM-HPC Client
Modulele COM-HPC Client sunt proiectate pentru sisteme embedded de înaltă performanță, cu grafică integrată. Acestea oferă patru ieșiri grafice prin intermediul a trei interfețe digitale de afișare (DDI – Digital Display Interface) și 1x embedded DisplayPort (eDP). Modulele găzduiesc până la patru socluri SO-DIMM pentru până la 128 GByte de memorie RAM. Pentru conectarea perifericelor, sunt disponibile 48 de benzi PCIe și 2x USB 4.0; Modulele cu cameră integrată pot fi, de asemenea, conectate direct prin intermediul a două interfețe MIPI-CSI. Modulele COM-HPC Client vor fi disponibile în trei dimensiuni diferite: 120 mm × 160 mm (Size C), 120 mm × 120 mm (Size B) și 120 mm × 95 mm (Size A).
COM Express, cel mai de succes standard la nivel mondial
Cea mai mică dintre amprentele modulelor standardului COM-HPC Client are aproape aceeași dimensiune cu amprenta modulului corespunzător standardului COM Express Basic (125 mm × 95 mm). Acest lucru ilustrează “distanța” mare dintre COM-HPC Client și COM Express și faptul că există aplicații care nu pot fi abordate cu COM Express. Standardul COM Express a fost lansat în 2005, iar standardele Computer-on-Module prezentate aici sunt și acestea disponibile de mult timp. Specificația definește o familie de module de diferite dimensiuni și tipuri de pini. Spre deosebire de COM-HPC și de specificațiile Qseven și SMARC SFF (small form factor), COM Express se concentrează exclusiv pe tehnologia de procesare x86.
Figura 4: Interfețele COM-HPC Client și COM Express Type 6 diferă mai ales în ceea ce privește numărul de benzi PCIe și lățimea de bandă, interfețele Ethernet și porturile USB precum și suportul extins pentru gestionarea de la distanță.
Servere pe Modul COM Express Type 7
Ca și standardul COM-HPC, COM Express oferă module “server” și “client”, care sunt disponibile în principal pentru definițiile de semnale care apar pe pinii conectorului (pinout) familiare referințelor Type 6 (client) și Type 7 (server). La fel ca în cazul COM-HPC, referința pinout Type 7 este un Server-on-Module “headless” (fără interfețe grafice locale) fără ieșiri grafice, creat pentru servere embedded “edge” și “fog”. În mod special, acesta suportă până la 4×10 GbE și până la 32x benzi de mare viteză PCIe Gen 3.0 pentru interfețe și suporturi de stocare. Aceste servere pe modul sunt disponibile cu procesoare Intel® Xeon® D sau AMD EPYC Embedded 3000. Pentru ele, congatec oferă, de asemenea, un ecosistem de 100 de wați, cu soluții de răcire “gata pentru utilizare”, pentru a simplifica proiectarea celor mai puternice module COM Express Server-on-Modules.
Computer pe Modul COM Express Type 6
Pentru aplicațiile clasice embedded cu grafică, modulele PICMG COM Express Type 6 sunt alegerea ideală. Acestea dispun de procesoare embedded, de la Intel® Core™, Pentium® și Celeron® până la seria R AMD Embedded. Disponibile în formatele “Basic” (95 mm × 125 mm) sau “Compact” (95 mm × 95 mm), acestea furnizează 440 de pini plăcii de bază pentru o gamă largă de interfețe moderne de calculator. Suportând până la patru display-uri independente, 24 de benzi PCIe, USB 2.0 și USB 3.0 precum și interfețe Ethernet, interfețe seriale și CAN bus, aceste module oferă tot ceea ce este necesar pentru a construi PLC-uri puternice, sisteme HMI, chioșcuri de informare sau stații de lucru SCADA. Alte domenii de aplicare includ sisteme digitale de semnalizare de înaltă performanță și echipamente medicale de imagistică de înaltă performanță.
Module COM Express Type 10 Mini
Cel mai mic factor de formă al specificației – COM Express Mini cu o dimensiune de 55 mm × 84 mm – este conform referinței PICMG Type 10 pentru semnalele care apar pe pinii conectorului și completează setul de specificații COM Express pentru proiectele SFF. Aceste module sunt proiectate pentru procesoare Intel® Atom ™ și Celeron® de mică putere. Deoarece atât tehnologia de conector, cât și ghidurile de proiectare utilizează multe caracteristici oferite de întregul ecosistem PICMG COM Express, dezvoltatorii sunt capabili să refolosească un număr semnificativ de funcții, acesta fiind principalul avantaj oferit de specificația “Mini”. Cu toate acestea, standardele SGET – SMARC și Qseven – sunt mult mai larg recunoscute și utilizate; ambele standarde acceptând procesoarele de aplicații x86 și ARM.
Qseven pentru proiecte embedded avansate
Diferențele dintre Qseven și SMARC, altele decât dimensiunile (Qseven: 70 mm × 70 mm; SMARC: 82 mm × 50 mm), sunt ușor de explicat: În ceea ce privește conectorii, Qseven oferă 230 pini, iar SMARC 314 pini. Prin urmare, Qseven se adresează proiectelor industriale embedded mult mai avansate, cum ar fi gateway-uri IoT, HMI-uri cost-optimizate și sisteme de vânzare cu amănuntul. Pentru asemenea aplicații, Qseven oferă suport periferic industrial optimizat cu până la 2x USB 3.0, 8x USB 2.0 și până la 4x interfețe seriale sau CAN bus. În plus, pot fi conectate la modul maxim două camere MIPI-CSI, printr-un conector FFC (Flat Foil Connector). Qseven oferă suplimentar un port Ethernet Gigabit pentru conexiune la Internet și suportă până la trei display-uri independente. Modulele Qseven oferite de congatec sunt disponibile fie ca versiuni x86 cu procesoare Intel Atom (Apollo Lake), fie ca platforme ARM cu noile procesoare i.MX 8 și i.MX 8X.
SMARC pentru viziune embedded
SMARC se adresează la vârful aplicațiilor SFF (small form factor). Acest standard a primit recent o actualizare majoră, odată cu revizuirea 2.1. Aceasta adaugă numeroase funcții noi, cum ar fi suportul SerDes pentru conectivitate extinsă la margine și două interfețe suplimentare pe modul care pot fi utilizate la conectarea unui număr de patru camere MIPI-CSI, pentru a răspunde cererii crescânde de fuziune de calcul embedded și viziune embedded. Noile caracteristici sunt compatibile înapoi cu Rev. 2.0 și toate extensiile la Rev.2.0 sunt opționale, astfel încât toate modulele SMARC 2.0 de la congatec sunt compatibile automat cu SMARC 2.1.
O altă caracteristică distinctivă, pe lângă cele două interfețe MIPI de pe conector, este că SMARC acceptă interfețe wireless, precum WLAN și Bluetooth, direct pe modul. Procesoarele ideale pentru modulele SMARC sunt procesoarele Intel Atom din generația a 5-a sau întreaga gamă de noi procesoare de aplicații i.MX 8. La congatec găsiți disponibile 12 variante de computere pe modul SMARC.
Figura 6: Placă de bază SMARC 2.1 și un computer pe o singură placă de 3.5-inch: conga-SMC1 este puntea de legătură între proiectele bazate pe module și plăcile standard “disponibile pe raft” înalt scalabile
De la proiecte bazate pe module la plăci standard
Dar, calculatoarele pe module nu sunt create doar pentru proiecte personalizate conform specificațiilor clientului. Ele pot fi utilizate și pentru a scala flexibil plăcile standard, după cum o dovedește noul SBC de 3.5 inch de la Congatec. Oferind un slot SMARC, acesta crează o punte de legătură între proiectele bazate pe module și plăcile embedded standardizate. Este optimizat pentru a fi utilizat cu întregul portofoliu de module congatec bazate pe procesoarele NXP i.MX 8. Având în vedere că lumea procesoarelor ARM este caracterizată în mod tradițional de proiecte proprietare, acest SBC de 3.5 inci este un pas înainte către plăcile și sistemele standard disponibile pe raft (COTS – commercial-off-the-shelf).
Mai mult, cei doi conectori integrați MIPI-CSI 2.0 ajută producătorii OEM să dezvolte aplicații de viziune embedded, deoarece acum pot conecta direct camere MIPI, fără necesitatea unei plăci suplimentare. Un alt avantaj extrem de convenabil pentru producătorii OEM este că aceștia pot utiliza SBC-ul ca pe o soluție plug & play, care integrează tehnologia camerei de la partenerii de viziune embedded, precum Basler, placa integrând, de asemenea, boot loader, sistem de operare, precum și BSP-uri potrivite și software embedded vision Basler optimizat de procesor.
Resurse adiționale:
Fog computing reprezintă o infrastructură de calcul descentralizată în care datele, calculul, stocarea și aplicațiile sunt localizate undeva între sursa de date și cloud. Edge computing se referă la un sistem de calcul distribuit (computere aflate la marginea rețelei) în care procesarea și stocarea datelor este adusă mai aproape de locul în care sunt necesare, pentru a îmbunătăți timpul de răspuns și a economisi lățimea de bandă.
Despre autor
Zeljko Loncaric, este inginer în cadrul departamentul de Marketing al companiei congatec.
