Prosessormoduler som forenkler produktdesign - Elektronikknett
Fig1-ApolloLake-COM_Express_Mini
Fig 1. COM Express Mini kort, som dette 55×84mm Type 10 Apollo Lake kortet fra MSC tilbyr en haug med prosesseringskraft i en kompakt pakke.

Prosessormoduler som forenkler produktdesign

Raskere utvikling av innvevd IoT med Apollo Lake datamaskinmoduler: Et blikk på COM Express, QSeven og Smarc 2.0.

Sist høst lanserte Intel den nyeste generasjonen av sine Atom SoC prosessorer. Apollo Lake, som er basert på den nye 14nm produksjonsprosessen, kommer med bedre ytelse og kraftig grafikkprosessering,  laveffekt TDPs, nye laveffekt S0ix sovemodus, samt en ny synkroniseringsteknologi for å synkronisere enheter på mikrosekundnivå. For IoT-enheter, som endenoder, ser Apollo Lake ut til å være den rene åpenbaringen. Men hvordan kan innvevde enheter utnytte Apollo Lake best mulig?

Møysommelig prosess
Design og implementering av et innvevd system helt fra bunnen av, ved hjelp av en systembrikke (SoC), er en lang og møysommelig prosess som kan medføre at systemene ofte er utdatert når de endelig kommer på markedet, og i tillegg er låst til prosessorteknologien fra den siste runden. En modulbasert tilnærming kan imidlertid hjelpe designerne til å integrere de nyeste SoC-teknologiene på en enkel måte, og samtidig akselerere utviklingssyklusene i prosessen, og ivareta en standardisert oppgraderingsrute for fremtidige prosessorteknologier.

Apollo Lake og fremveksten av IoT Edge
Apollo Lake ble lansert i andre halvdel av 2016 og er den nyeste iterasjonen av Intels Atom SoC-linje. Gjennom bruk av Intels nyeste 14nm prosess, kan disse nye SoC-brikkene tilby 30% mer regnekraft med 15% mindre effektforbruk. De har også fått forbedret GPU, sikkerhetsfunksjoner, samt bedre støtte for IoT-applikasjoner.

Høy ytelse
De IoT-fokuserte Apollo Lake brikkene er merket med en E for Embedded (innvevd). E3900-serien omfatter prosessorene E3930, E3940 og E3950, med fra 1,3 til 1,6 GHz basefrekvenser og 6,5 to 12W termisk designeffekt (TDP). Denne generasjonen av Atom SoCer har støtte for opp til 8GB raskt DDR4-minne og en forbedret GPU som er i stand til å drive 4K video.

Kraftige saker 
Dette høres ikke ut som typiske spesifikasjoner for en laveffekt IoT node, men Intel sikter heller ikke på det laveffekt ARM-segmentet. I stedet er disse brikkene designet for IoT Edge og Fog prosessering. Deres prosesseringskraft og effektforbruk ligger et sted mellom mobil- og bordmaskinbrikkene, og har i tillegg IoT-rettede egenskaper. De har støtte for Intel Time Coordinated Technology, som gjør det mulig for nettverkstilkoplede enheter å forbli synkroniserte, så vel som støtte for Windows 10 IoT Core, en versjon av Windows 10 som er utviklet for innvevde IoT applikasjoner.

Middels effektbruk
I stedet for laveffekt sensorer består IoT edge av gateways, rutere, og andre middels effektforbrukende enheter som samler og analyserer data før de videresendes til skyen. Dette har umiddelbare nytteverdier innenfor overvåking, automatisering og andre tilfeller der datasikkerhet og sanntidsprosessering er vel så viktig som dataanalyse i skyen. 

Prosessering i nettverkskanten
En Apollo Lake-basert Edge prosesseringsenhet i et sykehusmiljø kan eksempelvis utføre sanntids prosessering av pasientdata for øyeblikkelig bruk, og deretter sende behandlede data videre til skyen for ytterligere analyse. På lignende vis kan det i en ”smart” fabrikk være behov for sanntids dataprosessering i kanten av nettverket for å styre automatiserte prosesser, i tillegg til de dypere analysene som databehandling i skyen kan ivareta. 

Normalt kan det ta så mye som et år eller mer å integrere nye prosessorteknologier som Apollo Lake, men ved å benytte datamaskinmoduler (Computer- On-Modules, COM) kan designerne forkorte denne tidslinjen betydelig.

Raskere utvikling
Den velprøvde måten å redusere utviklingstiden på, samtidig som man reduserer risiko, er ved integrasjon. Ved å utnytte ferdiglagde, integrerte datamoduler i stedet for å designe innvevde systemer fra bunnen av, er det mulig å spare en vesentlig del av utviklings- og testtiden,  og risikoen kan reduseres.

Ferdigbygget datamaskin
Den ultimate integrasjon er selvsagt en ferdigbygget datamaskin. Ferdige industrielle datamaskiner kommer i en rekke varianter, formfaktorer og konfigurasjoner. Imidlertid er gjerne generiske datasystemer i seg selv overdimensjonerte – og størrelsen, kostnaden og den manglende fleksibiliteten som kjennetegner disse produktene gjør dem dårlig egnet for innvevde enheter der størrelse, vekt, effektforbruk og ofte kost må optimaliseres for en gitt sluttbrukerapplikasjon.

Et balansepunkt
Som et balansepunkt mellom ressursoptimalisering og fleksibiliteten til et kundespesifisert design finner vi datamaskinmodulene (COMs). Disse er gjerne bygget rundt en SoC, slik Intel Atom SoC plattformen, og inkluderer – selv om de er kompakt i formen – alle viktige prosesseringsfunksjoner internt, slik som minne og I/O-kontrollere, noe som gjør systemintegrasjonen enkel. For å skape en innvevd enhet plugges COMen til et bærerkort, som kan bli skreddersydd med spesifikke funksjoner rettet mot målapplikasjonen. Bærerkortet ivaretar porter og kontakter for periferi, slik som nettverk, innganger og skjermenheter.

Tilpasset bærerkort
Bærerkortet tillater det innvevde systemet å skille applikasjonsspesifikk funksjonalitet fra basis prosesseringsfunksjonalitet. Innvevd-designere kan dermed fokusere på applikasjonsspesifikk funksjonalitet, i stedet for å finne opp hjulet på nytt. Samtidig sparer de tid og penger, og reduserer i tillegg utviklingsrisiko. For enkelte systemer er det til og med mulig å benytte hyllevare bærerkort, noe som reduserer utviklingstiden ytterligere.

Nye prosessorer nå
COM-tilnærmingen gjør det mulig for designerne å implementere de nyeste prosessorteknologiene, slik som Apollo Lake, raskt og enkelt i sine design. I tillegg ivaretar de en forenklet oppgraderingsrute. De standardiserte formfaktorene og kontaktene, sammen med det CPU-agnostiske bærerkortdesignet, betyr at oppgradering av prosessorteknologien kun innebærer å oppgradere COM, og deretter gjennomføre en programvareoppdatering, i stedet for å redesigne hele systemet fullstendig. 

Med alle fordelene den tar med seg for innvevde systemdesign, har COM-tilnærmingen vært en suksess fra første stund, og et antall standarder har vokst frem og utviklet seg over tid.

COM Express

Mens system-på-modul tilnærmingen har vært her noen år, ble COM Express den første standarden som anvendte den på generelle innvevde systemdesign og som lykkes i stor skala. 

COM Express ble etablert i 2005 av PICMG konsortiet, og fokuserer på å bringe kraftig prosessering i en relativt liten formfaktor. Prosessorene er vanligvis x86-basert og i det midlere til høyere skiktet av innvevde prosessorer, fra lav-ende Atom SoCs opp til Xeon prosessorer i serverklassen. 

For å nå et størst mulig spekter av innvevde systemer kommer COM Express i flere ulike utgaver, som har spesifikke I/O muligheter og korresponderende pinneutlegg. Disse retter seg mot de mange forskjellige I/O-behov, prisnivå og plassbegrensninger for ulike innvevde systemer.

Flere typer

Etter hvert som  I/O-porter og –standarder har utviklet seg over tid, har også COM Express typene utviklet seg. Blant de mest populære typene i dag finner vi Type 6 og Type 10, som støtter den nyeste PCI Express periferibussen samt digitale skjermgrensesnitt (DDI), som åpner for HDMI, DisplayPort og DVI grafikkutgang. Type 6 retter seg mot større, PC-lignende innvevde systemer, med 24 PCI Express baner, tre DDI utganger, og tre SATA grensesnitt, mens Type 10 retter seg mot mindre systemer med fire PCI Express baner, to DDI utganger og to SATA grensesnitt.

Størrelser

Foruten å gi I/O fleksibilitet med sine ulike typer, støtter COM Express også flere ulike kortstørrelser, for å kunne imøtekomme ulike innvevde formfaktorer. Mens kortet i utgangspunktet var på 110×155mm, har mindre størrelser blitt lagt til over tid, og de mest populære kortstørrelsene i dag er Basic (95×125mm), Compact (95×95mm) og Mini (55×84mm). For innvevde IoT-enheter er Compact-størrelsen velegntet for Type 6 moduler som kan ivareta robuste I/O-muligheter så vel som ekspansjonsmuligheter, mens Mini er egnet for Type 10 moduler, som pakker kraftige prosesseringsmuligheter inn i en svært liten formfaktor.

Fig2-ApolloLake-SMARC Fig 2. Denne 80×80mm SMARC 2.0 modulen fra MSC er høyt integrert, med støtte for tre uavhengige skjermer, DDR3 minne, eMMC, SATA Flash ogUSB 3.0 så vel som innebygd støtte for trådløs kommunikasjon.

Med unntak for Mini (Fig 2.), som for tiden hovedsakelig assosieres med Type 10 COMs, er det typen, ikke størrelsen, som bestemmer kompatibiliteten på bærerkortet. Et Type 6 bærerkort kan benytte enten Basic- eller Compact-størrelse Type 6 COMs.

Mens de opprinnelig var designet for medium- til høyere ytelses enheter som krever PC-lignende prosesserings- og I/O-kapasitet, har tilskuddet av Type 10, Mini moduler gjort COM Express fleksible nok til å støtte små enheter med lavt effektforbruk.

QSeven

Den x86-baserte COM-standarden Qseven ble designet for Atom SoC, og lansert i 2008. Med en maksimal effektramme på 12W, er denne rettet i stor grad mot laveffekt innvevde enheter med liten formfaktor. 

Med mobile enheter i bakhodet har  QSeven et mindre antall I/O grensesnitt enn de fleste COM Express typer. Men de som er der er derimot velegnet til mobilapplikasjoner.  Disse omfatter fire PCI Express linjer, to SATA porter, flere USB porter, Gigabit Ethernet, SDIO, LVDS for LCD skjermutgang, en digital skjermutgang, high-definition audio (HDA), så vel som seriebusser. Med bruk av en tilnærming som ikke trenger ta hensyn til ”gamle” løsninger, kunne den eliminere PCI, ISA og andre eksisterende grensesnitt, til fordel for dagens og fremtidsrettede teknologier.

Ved bruk av en lavprofil MXM kontakt og mål på kun 70×70mm, er QSeven velegnet til innvevde applikasjoner med liten formfaktor, slik som mobiltelefoner eller håndholdte enheter.

Med introduksjonen av COM Express Type 10-moduler i lignende størrelse, og som i tillegg eliminerer gamle teknologier til fordel for moderne grensesnitt, har størrelsen og det teknologiske  forspranget som QSeven hadde minsket, men dette er fortsatt en oppegående COM teknologi, spesielt for vifteløse, laveffekt applikasjoner.

SMARC 2.0

SMARC er en ultra-laveffekt innvevd COM standard som ble skapt i 2012. Den trekker en spesifisert maksimumseffekt på 6W – enda lavere enn for QSeven. Mens QSeven originalt ble designet med tanke på Atom SoCen, ble SMARC designet for ARM prosessorer, men standarden er senere blitt oppgradert til å kunne nyttiggjøre seg Atom også.

SMARC anvender en 314-pinns MXM3 kontakt, rettet mot laveffekt- og mobilapplikasjoner. Enhetens I/O grensesnitt omfatter parallelle LCD skjermgrensesnitt, USB klient- og vertsmodusoperasjon, PCI Express, SDIO, eMMC og ulike serielle forbindelser, inkludert forskjellige serieforbindelser, blant annet to MIPI CSI serielle kameragrensesnitt.

I 2016  ble SMARC-standarden oppdatert til versjon 2.0. SMARC 2.0 bringer ekstra støtte for HD grafikkutganger, i form av to-modus DisplayPort (DP++), en LVDS kanal nummer to, et ekstra Gigabit Ethernet grensesnitt, flere USB porter, en fjerde PCI Express linje og støtte for x86 kraftstyringssignaler.

Robust, anvendelig - og enklere

SMARC-standarden støtter 80×80mm eller 80×50mm størrelser. Den større modulen tilbyr bedre I/O-støtte, emns den minste modulen er ideell for rimeligere eller plassbegrensede systemer. SMARC har støtte for en rekke inngangsspenninger fra 3V til 5,25V. Dette reduserer behov for kortplass til kraftomformere, og gir bedre støtte for batteribaserte kraftkilder.

Med et fast fokus på ultra-lav effekt og mobilbaserte innvevde applikajsoner og flere pinner enn QSeven, utgjør SMARC en robust innvevd COM standard med omfattende I/O-kapasitet.

Gjennom integrasjonsmulighetene som Computer-On-Modules har åpnet for, kan utviklere på en enklere og raskere måte designe inn nye teknologier, slik som Apollo Lake.

 

Kommentarer