Gränsen för fläktfria embeddedkonstruktioner ligger ofta runt 15 W, men med de mest avancerade processorerna går det ändå att nå höga prestanda. Christian Eder från congatec AG tittar här på vad som är möjligt med kombinationen COM Express och Intels 6.e generationens Core-processorer.

Avancerade IoT- och embeddedsystem konstruerade för industriella tillämpningar kan bara integrera ett specifikt urval av ny processorteknologi. Faktum är att de bara klarar den tuffa vardagen om de konstrueras utan fläktar.

Detta ökar systemens tillförlitlighet i svåra miljöer där de måste klara stötar och vibrationer och garanterar att de klarar sig utan underhåll även efter många års kontinuerlig drift. Eftersom det inte finns några fläktar och filter som behöver bytas minskas driftskostnaderna, och antalet planerade och oplanerade stillestånd minskar också.
En annan fördel är att fläktfria konstruktioner kan göras hermetiskt tillslutna. Detta ger högsta möjliga skydd mot damm och fukt, vilket har avgörande betydelse för nästan alla industriella tillämpningar.

Sist men inte minst betyder fläktfritt att det inte uppstår några störande ljud. Detta är idealiskt för apparater som används nära människor, t ex i medicinsk utrustning på en intensivvårdsavdelning, liksom i professionella inspelningsstudior och test- och mätlabb. Det finns många skäl som talar för fläktfria konstruktioner.

15 W TDP
Fläktfria system kan ganska enkelt implementeras med processorer som förbrukar mindre än 10 W. Idag ligger gränsen för fläktfria konstruktioner omkring 15 W TDP. Många IoT- och embeddedutvecklare arbetar sig förbi denna gräns för att få ut det mesta ur sina avancerade, fläktfria applikationer och uppnå konkurrensfördelar. Exempel på detta finns inom:

* Virtualiserade IPC med styrning och HMI i ett och samma system
* Bild- och videobearbetning inom automation och säkerhetsteknik
* Industriella styrcentraler med många skärmar och "field connection"
* Professionell audio- och videoutrustning
* Avancerad digital skyltning och DOOH-annonsering (Digital Out of Home)
* Medicinsk bildteknologi (CT, MRI, röntgen, m m) och endoskopi
* Metrologisystem som övergår från DSP-teknologi till GPGPU
* Självständig fordonsstyrning och datorassisterad händelseanalys
* Professionella spelmaskiner med flera displayer
* Grafikrika system som kräver högfrekvent 4K-virtualisering
* Applikationer med fläktar som kräver switchning av kostnads- eller tillgänglighetsskäl

Dessutom kräver många av dessa och andra system implementering av IoT- och industriell 4.0-konnektivitet. Båda kräver extra databearbetning och kommunikationsmöjligheter, med bl a kryptering och virusskydd. Detta kan driva upp kraven på datorkraft avsevärt. För tillämpningar som konstrueras nära gränsen för vad som är möjligt med fläktfria system är varje prestandaökning inom den givna termiska enveloppen ytterst välkommen.

Den senaste plattformen är 6:e generationens Intel Core i7/i5/i3-processorer. Dessa finns i ett stort antal olika utföranden, från några få watt upp till 91 watt. Låt oss ta en titt på vad 15-wattsversionerna i SoC-klassen har att erbjuda, eftersom dessa är den enda som gör det möjligt att utveckla fullständigt industriellt specificerade, fläktfria highend-system.

Den nya Core-generationen
Det finns ännu inte några Benchmark-tester tillgängliga för denna prestandaklass. Men vi kan med säkerhet anta att de framsteg som gjorts inom SoC-segmentet i denna processorgeneration är jämförbara med de som uppnåtts för bordsdatorvarianter som kräver aktiva fläktar.

Intel uppger att jämfört med fem år äldre plattformar ger de nya Core-processorerna upp till 2,5 gånger högre datorkraft, 30 gånger högre 3D-grafikprestanda och 3 gånger längre batterilivslängd. Jämfört med den 5:e generationen (med kodnamnet Broadwell) har det skett en uppskattad ökning på omkring 10 procent inom grafik- och beräkningsprestanda, och 11 procent inom energieffektivitet.

Anledningen till denna prestandaökning ligger i den krympta, 14 nm tillverkningsprocessen och den helt omarbetade Skylark-mikroarkitekturen. Här ingår en optimerad kopplingsstruktur (fabric) som sammanbinder CPU-kärnor, grafikenheten och den sista nivåns cache (tidigare L3-cachen) via en ringbussarkitektur.

De ULV SoC-versioner som är av intresse för 15 W-konstruktioner innehåller också en systemagent, som integrerar display-, lagrings- och I/O-styrenheterna. Den nya Intel Speed Shift Technology garanterar dessutom snabbare switchning mellan olika effektsteg, vilket ger prestandaökningar på mellan 20 och 45 procent jämfört med 5:e generationens Core-processorer. Samtidigt har effektförbrukningen minskats.

För att uppnå ännu högre energieffektivitet har Intel minskat SoC-matningsspänningarna och förfinat effektkopplingen till individuella funktionsblock. Detta minskar effektförbrukningen, och funktionsblocken kan reagera mer effektivt på individuella prestandabehov. Dessutom blir det möjligt att utöka användandet av turbo-boost, vilket gör att applikationerna kan hantera toppbelastningar bättre.

Intels Gen9-grafik
Grafikenheten, som optimerats för Windows 10 och som integrerats i den nya 9:e generationens 15 W SoC-kretsar, ger nu dessutom högre prestanda. Den klarar upp till tre oberoende 4k-displayer med 60 Hz uppdateringsfrekvens via DisplayPort 1.2. Även HDMI 1.4 stöds, och DirectX 12 garanterar ännu snabbare 3D-grafik under Windows 10.

Dessutom har en extra videomotor integrerats. Den ger möjlighet till kodning och avkodning av HEVC-, VP8-, VP9- och VDENC-video med minimal CPU-belastning och låg effektförbrukning. För första gången är det nu möjligt att strömma HD-video effektivt i båda riktningarna, d v s uppströms och medströms.

Med 24 exekveringsenheter och stöd för OpenCL 2.0 kan GT2 520-grafiken i ULV-processorerna också avlasta CPUn från beräkningsintensiva, parallella uppgifter.

Snabbare RAM
En annan nyhet är stöd för DDR4-RAM. Detta medför ett antal förbättringar. För det första ger det mycket högre bandbredd och arbetar snabbare, och för det andra är arbetsspänningen på 1,2 V mer energieffektiv än spänningen 1,35 V som används i dagens DDR3-RAM.

Tack vare att minnestätheten fördubblats är det dessutom nu möjligt att få plats med 32 Gbyte arbetsminne på bara två minneskortplatser. Detta är en enorm fördel i många avancerade embedded-system, och för många systemkonstruktören troligen det viktigaste skälet att uppgradera till den nya generationen så snart som möjligt.

6:e generationens Intel Core-processorer uppfyller de höga I/O-kraven som många avancerade IoT- och embedded-system ställer genom att tillhandahålla fler snabba I/O-funktioner. SoC-versionerna med PCI Express Gen 3.0 ger nästan dubbla datahastigheten. Den nya processorgenerationen har också dubbelt så många USB 3.0-gränssnitt (nu fyra) jämfört med deras direkta föregångare.

Tack vare ett CSI MIPI-2 kameragränssnitt, som nu för första gången har en integrerad bildsignalprocessor (ISP), kan bilderna från sensorerna bearbetas i realtid och ytterst energieffektivt, utan att CPUn behöver tas i anspråk.

De första 15 W embedded-SoC-kretsarna på 6:e generationens Intel Core-plattform är de dubbelkärniga processorerna Intel Core i7-6600U, Intel Core i5-6300U och Intel Core i3-6100U, som alla har stöd för hyper-threading.

COM Express Compact
IoT- och embedded-konstruktioner med 15 W TDP är idealiska för SFF-lösningar (small form factor). Om det krävs en kundanpassad uppsättning av gränssnitt, vilket är vanligt för SFF-konstruktioner, är Computer-on-Modules den bästa lösningen. Specifikationen PICMG COM Express har tagits fram speciellt för highend-segmentet.

Fig 1. congatecs COM Express-baserade datormodul conga-TC170 är bestyckad med ULV SoC-kretsar ur 6:e generationens Intel Core i7/i5/i3-processorer för fläktfri drift. Deras TDP kan konfigureras mellan 7,5 och 15 W

I konstruktioner där utrymmet är begränsat används vanligen formfaktorn COM Express Compact. Den har kompakta mått (blott 95 x 95 mm) och samtidigt två dubbla rader SMD-kontakter med 440 pinnar, vilket ger plats för ett stort antal snabba gränssnitt. Dessutom är COM Express optimerat för de högpresterande gränssnitt som finns på vanliga PC-datorer, och uppfyller dessutom de högsta kraven på tålighet tack vare den stabila anslutningen till det applikationsspecifika bärarkortet.

I många fall är det speciellt de fläktfria, avancerade konstruktionerna som behöver COM Express Compact, speciellt när standardfunktionerna hos Mini-ITX-moderkort inte uppfyller konstruktionskraven eller utrymmet är begränsat.

Passar systemkonstruktion och processor ihop?
Alla systemkonstruktioner ställer embedded-konstruktören inför ett antal utmanande frågor: Är mitt system verkligen lämpligt för den valda processorn? Kommer jag att kunna köra systemet under lång tid och utan att det överhettas, eller kommer applikationen att överbelasta systemet under belastningstoppar? Det är viktigt att se till att konstruktionen inte överhettar processorn, eftersom detta kan förkorta livslängden eller leda till extremt tidigt uppträdande fel.

Tack och lov finns det nu inte bara en utan två faktorer som gör det enklare för utvecklarna att balansera kraven hos hårdvara, processor och applikation, och att utveckla applikationer som verkligen når fram till gränserna för vad som är möjligt att uppnå med en TDP på 15 W.

Den första faktorn är konfigurerbar TDP för processorn (cTDP), och den andra är att det finns fläktfria kylningslösningar tillgängliga som passar ihop med datormodulen och processorn. Dessa två faktorer gör det möjligt att optimera konstruktionen steg för steg för att kunna uppfylla kraven hos specifika hårdvarukonstruktioner och applikationer.
De nya 15 W SoC-processorerna kan konfigureras mellan 7,5 och 15 W. Om applikationen riskerar att överhetta systemet under vissa förhållanden går det att minimera temperaturen på känsliga ställen genom att begränsa den maximala värmeutvecklingen så att systemet alltid ligger inom det tillåtna termiska utrymmet. En annan möjlighet är att prova olika varianter av kylare, under förutsättning att de olika kylningskoncept som står till buds ryms inom de tillgängliga dimensionerna.

Fig 2. congatecs värmespridare utgör ett termiskt gränssnitt som definierar höjden hos en konstruktion för kylningslösningar med samma dimensioner

Eftersom specifikationerna för PICMG COM Express ger konstruktörerna möjlighet att begränsa höjden på värmespridaren går det att utveckla olika kylarlösningar med samma dimensioner som ger olika kylningsegenskaper. Dessa kan sträcka sig från enkla, inbyggda kylare med flänsar till sådana med kontakt med höljet eller högpresterande kylare med kombinerad heatpipe- och värmespridarteknologi.

För helt slutna konstruktioner som behöver utnyttja de maximalt tillgängliga 15 W fullt ut rekommenderas konvektionskylning inuti systemet. En annan lösning är att koppla ihop kylaren med ytterhöljet.

Fig 3. Fläktfria highend-prestanda inrymda inom 95 x 95 mm: Modulen conga-TC170 med passiv kylning och bärarkort

Möjligheten att använda konfigurerbar TDP, liksom att det finns startpaket tillgängliga med flexibla kylningsvarianter, gör att systemkonstruktörerna snabbare kan få fram bra lösningar, jämfört med om de använde trial-and-error-metoder. Intels nya Core-processorgeneration kommer att göra det termiska konstruktionsarbetet mycket enklare i framtiden.

Men utvecklarna kommer även i fortsättningen att ställas inför problem som kräver direkt tillgång till expertkunnandet hos modulleverantörerna. Det är en stor fördel om tillverkaren har tagit fram en transparent process som garanterar personlig support. På så sätt slipper man att gå från start till mål och återigen förklara allt varje gång.
Christian Eder, Marketing Manager, congatec AG

Filed under: Embedded