Att konstruera personburna datorer för soldater ställer en rad svåra krav, där effektförbrukning och värmeavledning är två av de viktigaste. Patrick Dietrich, hårdvarukonstruktör och projektledare hos Connect Tech, Inc, beskriver här hur företaget använde en kombination av standardmoduler enligt Qseven-standard och specialmoduler för att snabbt klara kraven.

Att utforma högpresterande inbäddade datorplattformar för personburna, mobila och batteridrivna tillämpningar är svårt till och med när alla förutsättningar stämmer. Lägg då till kravet att plattformen måste kunna fungera i en av de mest krävande miljöerna i världen och utmaningen blir ännu svårare.
Det var precis vad ingenjörerna vid Quantum3D (www.quantum3d.com) stod inför när de skulle uppgradera sin uppsättning taktiska visuella datorer för mobila tillämpningar, Thermite TVC 2.0 TL. Thermite TL är konstruerad för tuffa miljöer, med rörlighet, lång batteritid och realtidsvisualisering i åtanke. Detta uppnås genom att kombinera datorer, 2D/3D-grafik, förlängda kyltekniker genom omgivningen och stöd för öppna operativsystem. Trots de många fördelarna hade systemet mycket utrymme kvar för förbättring av batteriförbrukningen. Därför startade konstruktörerna resan mot att utveckla en bättre lösning.

Systemet använder Qseven-processormodulen congaQA6 från congatec.

Det finns många mobila tillämpningar, några av dem personburna, som har liknande strömkrav.
* Personburna datortillämpningar, såsom kontrollenheter för robotar och små obemannade fordon.
* Omslutande träningsapplikationer i virtuell verklighet, såsom soldatträning till fots.
* Kontrolldatorer på obemannade flygfarkoster (UAV, unmanned aerial vehicle) och obemannade markfordon (UGV, unmanned ground vehicle).
* Markfordon, flygfordon, marina fordon och andra bemannade eller obemannade fordon som kräver grafisk processkapacitet i kompakt format.
För dessa tillämpningar krävs många typer av bearbetning, inklusive signalbearbetning i realtid för GPS-positionering, radar, bild- och inspektionssystem, inbyggda signalbearbetningssensorer för LIDAR/LADAR-punktmolnsvisualisering och inbyggd datorvisualisering med digitala kartor samt heads-up- och heads-down-skärmar. För lägesmedvetenhet, övervakning, målidentifiering och andra krävande processkapaciteter behövs vanligtvis ytterligare datorkraft. Sådan bearbetning är oftast batteridriven.

Effekt, storlek, vikt och värme
Som med vilken inbäddad datorteknik som helst finns det utmaningar och konstruktionsproblem. Fyra av de mest angelägna för mobila, personburna plattformar är effektförbrukning, storlek, vikt och värmeavledning. Konstruktörerna hos Quantum3D fokuserade främst på effektförbrukning och effektivitet för nästa generations design, med målet att uppnå en total minskning av elförbrukningen på 30% till 40% hos den existerande produkten för att förbättra batteritiden. Dessutom har man prioriterat flera förbättringar, inklusive förbättrad skalbarhet för produkten för framtida uppgraderingar samt en prestandaökning.
För den nya plattformen krävdes:
* Robust bärbarhet – innesluten i ett lätt, robust och förseglat metallhölje.
* Energieffektivitet – prestanda med enastående lång batteritid.
* Flashdiskar – stöttåliga flashdiskar för användning i extrema miljöer.
* Militära anslutningar – anslutningar enligt militära specifikationer för robust och pålitlig anslutning.
* Videoutgång – stöd för LVDS-utgång till VGA, NTSC eller PAL.
* Standard datorplattformar – 100% PC-kompatibilitet för att kunna dra nytta av befintliga mjukvaru- och programmeringskunskaper.
* Prestanda – datorkraft och minne för att kunna hantera tillämpningarna.
* Integrerad grafik – hög upplösning för lokala skärmar.

Effekten begränsar
Effektförbrukning är kanske den mest begränsande faktorn hos mobil teknik. Personburen datorkraft representerar en särskild variant av det här problemet. Utmaningarna när man tar fram en produkt för militärt bruk är väldigt annorlunda än utmaningarna när man tar fram en enhet för konsumentmarknaden. Energidistribution är ett mindre bekymmer för de flesta personburna militära tillämpningarna eftersom datorenheten ger ström direkt till skärm och I/O-enheter. Kroppsburna enheter för konsumentmarknaden är ofta en del av kläderna; en användare kanske har en skärm inbyggd i solglasögonen, har datorn på ryggen eller ett tangentbord invävt i en jacka. När man istället riktar in sig mot militära tillämpningar är alla komponenter drivna från den inbyggda datorn, dvs ström till HMD (skärm buren på huvudet) och tangentbord kommer direkt från datorplattformen.

Baskortet från Quantum3D med congatec-modulen monterad.

Nyttan med systemet minskas dramatiskt om batteritiden är kortare än tiden för uppdraget. En lösning är att använda sig av större energikällor med kemiska batterier som är relativt långvariga jämfört med laddningsbara alternativ. Även om laddningsbara batterier är mer miljövänliga krävs det underhåll för att säkerställa prestanda när du behöver den, vilket kan vara ett problem.
Att minska effektförbrukningen är ett alternativt sätt att förlänga användningstiden för ett system innan batterier behöver bytas ut eller laddas upp igen. För militära tillämpningar är det idealt att försäkra sig om åtminstone åtta timmars drifttid.

Värmeavledning
Vid val av processor för personburna datorer är MIPS per watt mycket viktigare än rå processorkraft. Det är kostsamt att tillhandahålla värmeavledning, men konstruktionen måste leda bort värme från processorn, annars riskeras överhettning och att systemet stängs av.
Med personburna datorer ändras användarens temperaturomgivning hela tiden. I Quantum3D:s avsedda tillämpningsområde bärs den vanligtvis på soldatens rygg. Här blir problemet omgivningstemperaturen och användningen av systemet i varma ökenmiljöer, möjligtvis i solljus, samt i kalla tundramiljöer. Ett personburet system måste klara av båda typerna av miljöer effektivt. Värmeavledning i varma miljöer – att få ut värmen från insidan till utsidan där den kan avledas – är avgörande.
Med försiktig användning av resurser kan många problem med värmebildning för personburna datorer undvikas. Exempelvis skulle utvecklare kunna utforma tillämpningar med värmeavledning i åtanke. Datorn kan fördröja diskaktiviteter, nedladdningar och batchjobb tills dess att den känner av en svalare omgivning. Beroende på användarens verkliga behov kan en långsammare nätverksanslutning vara lämplig för att ge mer tid för värmeavledning. Med metoder som dessa blir prestanda reserverad för användarinteraktioner och den faktiska genomsnittliga elförbrukningen kan vara högre utan att skapa onödiga toppar i värmebildning.

Kommersiella moduler
Lyckligtvis hade konstruktörerna vid Quantum3D flera olika valmöjligheter för att kunna klara av designkraven; 1) konstruera en datorplattform från grunden, 2) använda kommersiellt tillgängliga moduler, 3) arbeta med en kombination av båda.
Det är riskfyllt att designa från grunden: time-to-market, designexpertis, livscykelhantering och många andra problem kan ge förseningar. Medan det var genomförbart att konstruera exakt vad som behövdes så skulle tiden att faktiskt ta fram produkten kräva mer tid och resurser än vad som fanns tillgängliga. Många av riskerna skulle kunna undvikas genom att använda sig av standardkomponenter, men de särskilda målen för konstruktionen skilde sig avsevärt från kommersiella lösningar. De unika kraven på mobilitet och I/O-enheter begränsade exakt vad som kunde användas.

Quantum3D har utvecklat en rad olika produkter för i första hand militära ändamål.

Det bästa alternativet integrerade en kombination av egen design och kommersiella moduler. Quantum3D hade konstruktionsgrupper som ägnade sig åt utvecklande av I/O, kommunikation och mänskligt gränssnitt. Processorelement fungerade bäst om de tillhandahölls från redan existerande kommersiella moduler, allt som fattades var ett sätt att sammanfoga de två.
För att göra det slog Quantum3D sig samman med Connect Tech (www.connecttech.com) för att ta fram en exakt anpassad, skräddarsydd konstruktion. Connect Tech drog nytta av sitt kunnande inom computer-on-module (COM) baskortsdesign baserad på standardformfaktorer och inbyggda formfaktorer såsom PC/104 och PCI Express, kombinerat med en Qseven-processorsmodul från congatec (www.congatec.com).

Datormoduler á la Qseven
Qsevens computer-on-module-koncept bygger på standardkomponenter från flera olika tillverkare och integrerar alla huvudbeståndsdelarna hos en vanlig PC som sedan monteras på ett tillämpningsspecifikt baskort. Qseven-moduler har en standardstorlek på 70×70 mm och har specificerade pinout som använder ett MXM-anslutningssystem till låg kostnad och hög hastighet med standardpinout. En enda robust MXM-anslutning levererar baskortets alla I/O-signaler till och från Qseven-modulen.
De främsta fördelarna med Qseven-moduler är deras små formfaktorer, utbudet av tillgängliga processoralternativ och flera leverantörskällor. COM:er från Qseven är några av de minsta fullfunktions-COM:erna på marknaden vilket gör dem mycket attraktiva för många olika inbyggda portabla och ultraportabla tillämpningar.
Konstruktörerna från Connect Tech lyckades använda precis de I/O-gränssnitt som Quantum3D behövde. Baskortet tillhandahöll alla de gränssnittskontakter som krävdes för att kunna koppla ihop systemet med Quantum3D:s tillämpningsspecifika kringutrustning.

Kombinerade lösning
Mängden valmöjligheter är ett avgörande kriterium för många systemkonstruktörer. Ofta arbetar de med restriktioner de inte kan styra själva över eller så behöver de flexibilitet för att kunna göra egna val senare i designarbetet för att anpassa sig efter förändrande krav under utvecklingsfasen. Kombinationen av COM, standard- och special-I/O ger konstruktörerna valmöjligheter som de kan dra nytta av under hela designprocessen.
Skalbarhet: Tillämpningar är skalbara med vilket innebär att när en produkt väl har skapats så finns möjligheten att utvidga produktserien med olika prestandaklasser av Qseven-modulerna och I/O-anrop genom baskortet. Koppla helt enkelt ur en modul och ersätt den med en annan, ingen omkonstruktion behövs.

Thermite TL är en taktisk visuell dator för mobila tillämpningar i tuffa miljöer.

Uppgraderingar: Processorteknik utvecklas väldigt snabbt, med förbättringar av befintliga processorfamiljer två eller tre gånger per år. För att göra problemet än värre introduceras dessutom flera nya processorer varje år. Att ha processorn, minne och stödchipset på en COM möjliggör användande av den senaste tekniken för att sedan flytta över den till produktionskedjan vid rätt tillfälle. Eftersom PCI Express är den gemensamma nämnaren så är många plattformsoberoende processorer tillgängliga vid behov. Omedelbara uppgraderingar av befintliga produkter kan erbjudas och produkten fastnar aldrig i en föråldrad design.
Kostnad: Systemkostnaden kan minskas för tillämpningar med lägre volymenheter genom att man använder massproducerade komponenter såsom COM:er från Qseven. COM-leverantörer kan öka produktionen och reducera antalet komponenter, besparingar som kan föras vidare till integratörerna.
Batteriets livslängd förbättrad utan att man behöver avstå från huvudfunktioner
Konstruktörer från Quantum3D klarade målet att förbättra batteritiden med 40% utan att avstå från huvudfunktioner och prestandabehov. Dessutom var kompromisserna minimala med just den kombination som konstruktörsgruppen från Quantum3D valde. Qseven baskort och congatec Qseven COM från Connect Tech uppfyllde alla funktionskrav. Intel Atom-processorn klarade lågenergikraven, och den öppna, modulära strukturen försåg systemet med en uppgraderingsväg och en skalbarhet som medför möjligheten att lägga till ytterligare funktioner nu och i framtiden.
Patrick Dietrich, hårdvarukonstruktör och projektledare, Connect Tech, Inc

Filed under: Kortsystem