Undersökningar gjorda av IHS Markit visar att Computer-on-Modules är den globalt ledande formfaktorn för embeddedsystem, följda av fristående kort och VME/VPX-lösningar. De förutspås också få en årlig tillväxt (CAGR) på 8,6 procent under perioden 2015-2020, vilket är imponerande för en etablerad teknologi. Zeljko Loncaric, marknadsingenjör hos congatec tittar här på förutsättningarna.

Även studier från Research and Markets målar upp ett mycket tyngre tillväxtperspektiv och förutspår att den totala marknaden för Computer-on-Modules kommer att växa med 17,97 procent årligen under perioden 2016-2020. Den stora skillnaden mellan dessa båda prognoser kan tänkas vara orsakad av den ytterst osäkra marknadsdynamiken inom IoT-segmentet, inom vilket dessa moduler används i stor utsträckning.

IHS Markit betraktar behoven inom industriell automation och Industry 4.0 som en viktig tillväxtfaktor under de kommande decennierna (Se http://epsnews.com/2017/02/22/26564). Så om man ser på marknaden ur fågelperspektiv råder det inget tvivel om att Computer-on-Modules är mycket lämpliga kandidater att utvärdera vid konstruktion av embeddedsystem.

Fig 1. Undersökning från IHS Markit

Gjorda för kundanpassning
Computer-on-Modules är byggblock för konstruktion av kundanpassade system. Sådana efterfrågas rätt ofta inom området embeddeddatorer eftersom standardlösningar inte kan användas för alla embeddedapplikationer. Det tillgängliga utrymmet kanske inte räcker till, och kraven på gränssnitt är nästan alltid specifika för varje kort vad gäller antal, konfiguration och placering på korten. Ett moderkort med expansionskort kanske inte heller kan uppvisa den nödvändiga tåligheten mot mekaniska och termiska belastningar.

Alla dessa individuella krav leder fram till frågan: Skall jag bygga min egen konstruktion från scratch, med all möda och alla kostnader som detta medför? Eller finns det andra möjligheter tillgängliga som kan hjälpa mig att konstruera mitt system snabbare och mer effektivt? Computer-on-Modules uppfanns exakt för att hjälpa oss med denna fråga om att bygga eller köpa, med avsikten att förenkla användandet av embedded-processorteknologier i kundanpassade konstruktioner.

Applikationsfärdiga superkomponenter
Computer-on-Modules är applikationsfärdiga superkomponenter som erbjuder ingenjörerna hög effektivitet vid konstruktionen. En fördel för inköpsavdelningen är att materiallistan reduceras från ett stort antal komponenter till en enda modul för bearbetningskärnan. Men detta är bara den mindre delen av effektivitetsökningen.

Viktigare är att det går åt mycket mindre arbete med att konstruera in processor, RAM och snabba gränssnitt, liksom att ta fram ett helt supportpaket med alla nödvändiga drivrutiner, bibliotek och API:er. Allt detta arbete har redan utförts, och modulerna kan sättas in direkt, nästan lika enkelt som en ny processor eller ett nytt moderkort. Men det är en stor skillnad mellan att byta ut en processor och att byta ut en Computer-on-Module.

Nästan gränslös skalbarhet
Computer-on-Modules erbjuder en nästan gränslös skalbarhet. Ett utbyte av processorer kan bara utföras mellan pinkompatibla processorer som vanligen bara finns tillgängliga inom en viss processorgeneration. Computer-on-Modules kan däremot tjäna som värd för alla ledande fabrikat av embeddedprocessorer. Ett exempel är uppdateringen av den 5:e generationen av Intel Core-processorer till den 6:e generationen, där pinkonfigurationen och minnesgränssnittet förändrats.

Med en egenutvecklad lösning skulle ingenjörerna först ha behövt konstruera om sitt kretskort. Med Computer-on-Modules är en växling mellan olika processorgenerationer och tillverkare mycket enklare och alltid möjlig att utföra. En ny produktgeneration kan åstadkommas genom ett enkelt byte av modulen. Moduler gör också konstruktionen tillverkaroberoende, vilket ger fördelarna av högre konstruktionssäkerhet.

En annan fördel med denna skalbarhet är att den förlänger den långsiktiga tillgängligheten av applikationerna. När den sju till tio år långa produktlivscykeln hos en embeddedprocessor är över, finns det ofta en efterträdare tillgänglig som kan användas som en ”retrofit”. Om konstruktionen baseras på moduler räcker det ånyo med ett enkelt modulbyte.

Fördelarna med standardisering
Men denna skalbarhet kan bara försäkras genom standardisering av gränssnitt. Med Computer-on-Modules uppnås detta genom standardisering av den yta korten upptar, liksom av gränssnittet mot det kundanpassade kort som bär modulerna. En sådan standardisering kan visserligen utgöra en begränsande faktor som gör det nödvändigt att ha ett antal olika specifikationer för att kunna klara av alla viktiga applikationer. Men fördelarna är enorma:

Standardisering leder till den högsta designsäkerheten eftersom konstruktörerna kan vara säkra på att moduler med samma gränssnitt kommer att finnas tillgängliga i framtiden. De kan också utveckla ”second source”-strategier för att inte bli beroende av en enda leverantör. Detta är till fördel inte bara för designsäkerheten, utan ger också kommersiella fördelar tack vare konkurrensutsatt prissättning. Det blir också större utrymme för modultillverkarna att erbjuda kunderna fler tjänster för att på så sätt särskilja sig från konkurrenterna genom att bättre uppfylla deras behov.

Standardisering ger dessutom möjligheterna att erbjuda ett brett ekosystem av kommersiellt tillgängliga tillbehör, med allt från värmespridare och bärarkort till kabelsatser och kapslingar. Detta gör det enkelt att köpa komponenter från tredje part så att utvecklingskostnaderna kan reduceras till ett minimum. Och till sist, när ett stort antal konstruktörer arbetar med en viss formfaktor garanterar detta en fortsatt förbättring av standarden. De tillverkaroberoende standardiseringsgrupperna PICMG och SGET e.V. hjälper till att motverka företagsspecifika lösningar.

Lämpliga där ingen annan formfaktor passar in
Med allt detta sagt måste man tänka på att Computer-on-Modules egentligen bara är lämpliga att använda när ingen annan embedded-formfaktor passar in. Ingenjörerna måste ständigt hålla ett öga på specifikationerna och marknadstrenderna för andra formfaktorer innan de väljer en modulbaserad lösning. Som IHS prognoser visar är det mycket viktigt att kontrollera tillgängligheten av fristående kort som direkt passar för applikationen.

De viktigaste formfaktorerna i detta tillväxtkluster är Mini-ITX- och Pico-ITX-kort samt den nya eNUC-standarden, eftersom dessa erbjuder kompakta formfaktorer som lämpar sig perfekt för embeddedsystem med begränsat tillgängligt utrymme. Inom marknadssegmentet system baserade på passiva bakplan är det bara VME/VPX som uppvisar goda tillväxtperspektiv, detta tack vare ökade satsningar på militärmarknaden. CompactPCI och xTCA är däremot teknologier som är på nedgång.

Olämpliga för ultrastora produktionsvolymer
Ingenjören måste också tänka på om en helt egenutvecklad konstruktion kan komma att passa bättre med tiden. Detta gäller alltid vid ultrastora produktionsvolymer, där varje enskild komponent utgör en kostnadsfaktor som måste beaktas. Kontakten på en modul kanske inte kostar mer än 1 dollar, men när det handlar om 10 000 kontakter är vi uppe i 10 000 dollar, och härtill kommer kostnaden för montering.

Så när det handlar om mycket stora volymer måste man räkna ut var den ekonomiska brytpunkten ligger mellan ett koncept med COM/bärarkort och en helt egenutvecklad lösning. Denna beräkning är mycket komplex eftersom FoU-kostnader och framtida uppgraderingar måste tas med. Leverantörerna av modulerna kan hjälpa till med dessa beräkningar, för i de flesta fall kan de också erbjuda design- och tillverkningstjänster av egenspecificerade kort, och då kan de ofta återanvända layouten hos bärarkort som tillverkads för utvärdering av korten.

Bortskämda med valmöjligheter
Efter att ha utvärderat dessa valmöjligheter och funnit att en Computer-on-Modules-baserad ansats passar bäst måste ingenjören som sista steg välja rätt CoM-standard. Bland dagens state-of-the-art-teknologier finns specifikationerna från två världsomfattande standardiseringsorganisationer: PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) som har hand om COM Express-standarden, och Standardization Group for Embedded Technology e.V. (SGET) som har ansvar för Qseven och SMARC.

COM Express
COM Express-standarden definierar en familj med olika modulstorlekar och pinkonfigurationer som täcker in ett brett urval av konstruktioner, från kompakta lågeffektsenheter till kraftfulla embeddedservrar.

Fig 2. COM Express: dimensioner

COM Express Type 7
Helt ny är specifikationen COM Express Type 7. Den är skräddarsydd för sådana modulära serverkonstruktioner som används på randen av IoT- och Industry 4.0-applikationer, t.ex. ”cloud”- och ”fog”-servrar, men även i s.k. ”cloudlets” på randen av basstationer för mobilkommunikation med hög bandbredd. De mest intressant egenskaperna är stöd för upp till 4x 10 GbE bandbredd och upp till 32x höghastighets PCIe för högpresterande lagring samt dedicerade gränssnitt med stöd från 440 signalpinnar på bärarkortet. Bland de målprocessorer som finns på moduler av Basic-storlek (95 × 125 mm) hittar man Intel Xeon D och de kommande efterträdarna från de båda x86-processortillverkarna Intel och AMD. Större moduler är möjliga eftersom COM Express redan har specificerat formatet Extended med måtten 110 × 155 mm.

Fig 3. Server-on-Modules av typ COM Express Type 7 har upp till 4x 10 Gbit Ethernet och upp till 32 PCIe-banor. Modulen conga-B7XD integrerar de senaste Intel Xeon-processorerna med upp till 16 kärnor och 48 Gbyte DDR4-RAM

COM Express Type 6
Den etablerade specifikationen PICMG COM Express Type 6 är state-of-the-art för avancerade embedded-datorsystem med implementerade processorer alltifrån Intel Core, Pentium och Celeron till AMD Embedded R-Series. Dessa moduler mäter 95 × 125 mm (Basic) eller 95 × 95 mm (Compact), har 440 pinnar på bärarkortet. De erbjuder en omfattande uppsättning högavancerade datorgränssnitt mot allt som behövs för att bygga kraftfulla PLC- och HMI-system, butikssystem samt SCADA-arbetsstationer i kontrollrum. Bland övriga applikationsområden finns digital skyltning, avancerade spelautomater och komplexa informationsterminaler.

Fig 4. De senaste COM Express Type 6-modulerna, som conga-TC-175 och conga-TS175 med högavancerade Intel Core-processorer, har PC-liknande gränssnitt för olika slags grafik, USB 3.0 och 2.0 samt PCIe-utgångar. Härtill kommer ett antal typiska embedded-I/O

COM Express Type 10
PICMG:s kompakta formfaktor COM Express Type 10 rundar av uppsättningen av COM Express-specifikationer. Formatet är den kreditkortsstora formfaktorn Mini med måtten 55 × 84 mm. Det erbjuder 220 pinnar och är speciellt avsett för lågeffekts x86 SoC-processorer som Intel Atom och Celeron, liksom för AMD-processorerna G-Series. Tack vare den enhetliga kontaktteknologin och de designriktlinjer som används inom hela PICMG COM Express-ekosystemet kan utvecklarna återanvända så många funktioner som möjligt. De har tillgång till en och samma standard som de kan utnyttja för att skala upp sina konstruktioner baserade på COM Express, från Mini Type 10-moduler med Intel Atom-processorer upp till Intel Xeon -processorer för serversegmentet.

Qseven och SMARC
Ingenjörer som inte bara är inriktade på x86-baserade konstruktioner, utan även på ARM-baserade lösningar, har störst nytta av Qseven- eller SMARC 2.0-moduler eftersom dessa stöder båda processorarkitekturerna. Skillnaden mellan Qseven och SMARC 2.0 är ganska enkel att förklara: På kontaktsidan erbjuder Qseven 230 pinnar och SMARC 2.0 314 pinnar. SMARC är mer orienterat mot funktionsrika multimediaapplikationer, medan Qseven ger tillgång till fler I/O, något som krävs inom embedded- och industriområdena. Alla andra egenskaper är jämförbara.

Båda standarderna ger möjlighet att bygga tunnare konstruktioner jämfört med COM Express tack vare sina platta ändkontakter. Båda har tillförlitliga leverantörer av kontakter: Qseven-kontakten stöds idag av tre leverantörer och SMARC 2.0-kontakten av två. Så för alla som har kritiserat Qseven tidigare för att bara ha en enda kontaktleverantör måste nu understrykas att denna flaskhals inte bara har försvunnit utan ändrats till en liten fördel jämfört med SMARC 2.0.

Skillnaden i antalet gränssnitt mellan Qseven och SMARC 2.0 är också något av en prisindikator: Qseven har konstruerats för mindre komplexa konstruktioner, medan SMARC tagits fram för avancerade applikationer med kompakt formfaktor som kräver moduler av kreditkortsstorlek. Generellt gäller att valet därför måste baseras på vilken uppgift embeddedsystemet kommer att ha.

Fig 5. Modulen conga-MA5 med de senaste lågeffekts Intel Atom-, Celeron- och Pentium-processorerna använder formatet COM Express Mini med 10-utgångspinnar, och utökar därmed skalbarheten för COM Express till ytterst kompakta konstruktioner

Fig 6. SMARC-moduler som conga-SA5 med Intel Atom-, Celeron- och Pentium-processorer är inriktade på multimediaapplikationer, medan Qseven-moduler är avsedda för applikationer inom ”deep embedded” och industri. Båda typerna kan ha antingen x86- eller ARM-processorteknologi

Slutsats
Fördelarna med Computer-on-Modules är så betydande att majoriteten av embeddedsystem redan använder sessa applikationsfärdiga byggblock. I takt med att antalet IoT- och Industry 4.0-applikationer flerfaldigas förutspås många nya konstruktioner att också baseras på Computer-on-Modules och den nya klassen Server-on-Modules för databearbetning på randen.

Att hitta den bästa formfaktorn är nästa stora steg i processen att utvärdera konstruktioner, och här kan modulleverantörerna hjälpa till. Så länge som de kan tillhandahålla alla viktiga formfaktorer kan de ge bättre konsulttjänster och erbjuda bättre valmöjligheter för migrering från en formfaktor till en annan. Vid valet av rätt leverantör är det viktigt att se på BSP, firmware och middleware för kommunikation, eftersom sådant blir allt viktigare i en uppkopplad värld.

Det betyder inte att leverantören skall komplettera sina erbjudanden med ett helt moln för systemet, eftersom detta aldrig kommer att uppfylla kundens krav fullständigt. Det är viktigare att se närmare på vad som erbjuds på själva kortet och modulen. Är till exempel styrkretsen för management av kortet utvecklad av leverantören själv? Detta är en anledning att se upp, för detta kan visa sig bli en återvändsgränd. Då är det bättre att välja öppna, icke tillverkarbundna API:er eftersom öppenhet och standarder bildar fundamentet för effektiv och förenklad återanvändning av befintliga konstruktionsresultat.

Kontrollera att integrationssupport erbjuds för ARM och x86, eftersom det är bättre att få en enda ingenjör som stöder båda arkitekturerna för en enhetligt produktfamilj, istället för två olika ingenjörer med två olika produktlinjer. Detta kräver också enhetliga API:er.
Slutligen, kontrollera den medföljande dokumentationen. Det är bättre att ha många sidor innehåll än bara en minimal mängd. Tänk också på om det går att utnyttja lokal tillverkningskapacitet varhelst du och din kund befinner er. Detta ger inte bara dig eller din kund möjlighet att köpa lokalt, utan kan också vara till hjälp vid eventuella handelsrestriktioner.
Zeljko Loncaric, marknadsingenjör congatec

Filed under: Embedded