В статье рассматриваются особенности и преимущества использования компьютерных модулей при разработке промышленных вычислительных систем и комплексов. Приведены обзор наиболее популярных стандартов компьютерных модулей и примеры их применения.

Введение

Разработчики вычислительных систем и комплексов сталкиваются со многими трудностями на протяжении всего жизненного цикла разрабатываемой продукции: начиная от выбора архитектуры и компонентов при проектировании и заканчивая модернизацией изделий при длительном серийном выпуске. При этом параллельно обеспечивая соответствие требованиям по производительности и надежности, прохождению испытаний и предугадывая будущие потребности заказчиков.

Поскольку процессоры постоянно совершенствуются, появляются новые стандарты и высокоскоростные последовательные интерфейсы, многие разработчики вычислительных устройств сталкиваются с трудностями при использовании современной компонентной базы. Разработка новой процессорной платы для каждого поколения процессоров и внедрение современных интерфейсов ввода-вывода – это дорогостоящая и трудоемкая задача.

Вариантом решения может быть использование готовых встраиваемых процессорных модулей, например компьютерных модулей (Сomputer on Module (CoM) или System on Module (SoM), одноплатных компьютеров (Single Board Computer (SBC) или материнских плат (Motherboard).

Применение компьютерных модулей предлагает некоторые явные преимущества, например, необходимая производительность и наличие базовых интерфейсов ввода-вывода в компактном форм-факторе. Что еще более важно, компьютерные модули могут помочь разработчикам вычислительных систем сократить время реализации проекта, снизить стоимость разработки, свести к минимуму проектные риски, упростить обновление системы в будущем, обеспечить масштабируемость и увеличить срок службы разрабатываемого изделия.

Проблемы проектирования и обеспечения серийного выпуска промышленного электронного оборудования

По мере развития вычислительной техники, требования к ней постоянно меняются в сторону увеличения производительности, улучшенной визуализации, поддержки современных накопителей информации и т.п. Таким образом, вычислительные устройства требуют периодического обновления или редизайна без необходимости разработки аналога полностью с нуля. Поэтому при проектировании промышленного вычислительного устройства необходимо обеспечить возможность его масштабирования и обновления.

Помимо требований к производительности и масштабируемости, оборудование, предназначенное для промышленного применения, должно выпускаться в течение длительного срока, как правило от 10лет.

Время выхода на рынок также является важным при разработке вычислительного комплекса или устройства. Сокращение времени разработки плюс время на испытания и сертификацию, также является ключевым фактором при выборе архитектуры и элементов построения системы. При всем этом нужно не забывать об оптимизации финансовых затрат на разработку.

Преимущества модульного построения

Доступные на рынке встраиваемые процессорные модули построены на базе современных высокопроизводительных процессоров, имеют встроенную поддержку различных интерфейсов ввода-вывода и компактный форм-фактор.

Компьютерные модули (КМ) – хороший выбор для индустриальных применений, особенно где решения на базе стандартных одноплатных встраиваемых компьютеров не эффективны.

КМ помещает весь вычислительный узел в модуль малого форм-фактора, который может быть установлен на платах-носителях, содержащих специализированные схемы ввода-вывода и питания (рис.1).

Все стандартные функции персонального компьютера, такие как графика, Ethernet, звук, оперативная и постоянная память или интерфейсы для ее подключения, параллельный и последовательный порты, порты USB и системные шины (PCIe, PCI, ISA, I²C, SPI, LPC) размещаются в стандартном модуле. Пользователю нужно лишь добавить специально разработанную несущую плату (плату-носитель) для реализации определенных функций. На несущей плате (рис.2) размещаются все интерфейсные разъемы для подключения системы к периферийным устройствам, таким как жесткие диски, дисплеи и т. д.

Имея компактный размер и широкий набор интерфейсов, выводимых через стандартные разъёмы, КМ позволяют совмещать современную компьютерную функциональность, специализированные интерфейсы и функциональность приложения в рамках одной встраиваемой системы. КМ широко применяются как для решения тех задач, которые невозможно эффективно решить с помощью стандартных встраиваемых плат, так и для решения задач обновления технического решения наследственных или устаревших систем.

Практически все преимущества использования КМ лежат в экономической плоскости. Самое главное преимущество – это снижение стоимости и сроков разработки.

Применение КМ может помочь производителям промышленного оборудования реализовать современные требования, сократив затраты и время разработки, необходимые для изменения существующих конструкций и расширения ассортимента продукции. Это справедливо, в частности, для устройств, которым требуется долговечность (жизненный цикл от 10 до 30 лет), а также современные производительность и возможности ввода-вывода.

Большинство компаний не обладают ресурсами по разработке с нуля вычислительного устройства на современных процессорах. Разработка, отладка и поддержка нового одноплатного компьютера для каждого поколения процессоров и современных быстродействующих шин могут быть чрезвычайно дорогостоящими и трудоемкими. На рис. 3 показано сравнение сроков полного и полузаказного проектирования.

При полностью самостоятельной разработке аппаратной части как правило разработчик затрачивает от 12 до 36 месяцев, не считая времени на разработку системного и прикладного программного обеспечения, тестирование, проведение испытаний, сертификацию и т.п.

При выборе готовых встраиваемых систем отпадает необходимость в разработке вычислительного узла. Этап разработки заменяется конфигурированием и разработкой относительно простой несущей платы с временем в 2-3 месяца. В итоге, при использовании компьютерных модулей возможно достичь 2-3х кратного сокращения временных и финансовых затрат.

При этом у разработчика появляется возможность использования недоступных ранее технологий и продуктов. Модульность архитектуры позволяет создавать готовые приложения быстро, используя технически сложные компоненты, производимые сторонними поставщиками, являющимися экспертами в своих областях. В итоге разработчик системы может сконцентрироваться на ключевых собственных задачах и на реализации специализированного функционала разрабатываемого устройства.

При использовании КМ разработку аппаратной и программной частей решения можно вести параллельно. В то время, когда инженеры-схемотехники работают над архитектурой и трассировкой платы-носителя, программисты могут отрабатывать прикладное ПО, используя КМ и отладочную плату, предоставляемую производителем КМ специально для таких целей. Как правило, отладочные платы содержат большой набор интерфейсов, через который можно подключить необходимые модули расширения на основе стандартных форм-факторов и смоделировать аппаратную архитектуру системы.

К другим экономическим преимуществам использования КМ относятся возможность построения линейки продукции на базе КМ различной производительности, выбора производителя КМ с наилучшим соотношением цена/качество и другие возможности, актуальные для мелкосерийных производств и узкоспециализированных рынков.

Быстрота вывода продукции на рынок и гибкость при дальнейшей её модернизации являются серьезными преимуществами решений на базе КМ. Однако при принятии решения о начале использования КМ стоит серьёзно задуматься о наличии достаточного опыта и знаний для безошибочной разработки платы-носителя. Если такого опыта немного, лучше заказать разработку платы-носителя у производителя КМ. Если опыта достаточно и есть желание всё сделать самим, то, как минимум, нужно получить детальную консультацию, а ещё лучше, верифицировать у производителя КМ свой дизайн платы-носителя.

Обзор рынка

Мировой рынок КМ неуклонно растет с момента выпуска первого стандарта COM Express в 2005 году. С тех пор КМ нашли применение в самых разных вычислительных приборах и приложениях, особенно тех, которые требуют компактного размера и гибкого подхода для модернизации и адаптации под различные применения. Телекоммуникационное оборудование и аппаратура связи, сетевые устройства, игровые автоматы, устройства промышленной автоматизации и здравоохранения уже много лет назад начали применять КМ для реализации тех. требований к оборудованию. КМ и их масштабируемая архитектура особенно привлекательны для новых высокопроизводительных приложений, таких как искусственный интеллект (ИИ), интернет вещей, машинное зрение (ML), периферийные вычисления и аналитика и другие высокопроизводительные приложения.

Одноплатные компьютеры и материнские платы поставляются такими как есть и ограничены в  возможностях адаптации при изменении функционала устройства или при эволюции отраслевых приложений. При этом КМ продолжают развиваться в части расширения производительности и функционала благодаря активному и растущему сообществу специализированных организаций по стандартизации и ведущих поставщиков встраиваемых систем.

По данным международного рейтингового агентства VDC Research VDC (рис. 4), мировой рынок встраиваемых компьютерных модулей начиная с 2020г показывает рост в 12, 4% и к 2025г. достигнет уровня 5,51 млрд. долларов США.

Популярность модулей COM Express основана на заложенной в стандарт гибкости, наличия нескольких типов размеров и назначений контактов при использовании общих разъемов и монтажных отверстий. КМ COM Express поддерживают высокоскоростные последовательные интерфейсы, включая PCI-Express Gen 3, 10GbE, USB 3.0, SATA, а также графику высокого разрешения. Альтернативные архитектуры, такие как Qseven и SMARC имеют свои уникальные преимущества, например использование процессоров с архитектурами ARM, x86 и RISC-V (рис. 5).

Стандарты компьютерных модулей

Для компьютерных компьютеров существует множество стандартов и форм-факторов, позволяющих быстро и эффективно создавать решения для тех или иных приложений практически во всех отраслях промышленности, телекоммуникаций, систем безопасности, транспорта, энергетики и др.  Далее будут представлены стандарты компьютерных модулей ETX, QSeven, SMARC СOM Express, COM-HPC как наиболее популярные среди разработчиков и пользователей встраиваемых систем.

ETX

Исторически спецификация ETX (англ. Embedded Technology eXtended) появилась самой первой, и можно сказать, что с данной спецификации, разработанной компанией Kontron, фактически началась эра КМ.

Главная особенность данной спецификации заключается в наличии шины ISA. Соответственно КМ, производимые по данной спецификации, как правило, выбираются заказчиками тогда, когда им нужна данная шина.

Размер платы составляет 95×114 мм (рис. 6). Все сигналы ввода-вывода, а также полноценная реализация шин ISA и PCI выводятся на четыре низкопрофильных разъема типа HIROSE на нижней стороне платы.

КМ, производимые согласно спецификации ETX, до сих пор широко распространены при решении задач промышленной автоматизации, визуализации технологических процессов и в других приложениях, где не требуются высокая производительность процессора и наличие широкополосных коммуникационных интерфейсов (рис. 7).

Список основных интерфейсов и их распределение по разъёмам Х1...Х4 можно найти в табл. 1.

QSeven

Родоначальникам спецификации Qseven являются компании Congatec и Seco. Данная спецификация была разработана с целью удешевления КМ, сделав их более доступными и более приемлемыми для относительно лёгких и простых приложений.

Модули имеют стандартизированные габариты 70 x 70 или 40 x 70 мм (рис. 8). Данная спецификация предполагает использование всего одного разъёма типа MXM (такие разъёмы широко применяются для подключения высокоскоростных графических карт PCI Express в ноутбуках), устанавливаемого на плате носителе, и краевых двухсторонних контактов на плате КM.

Спецификация позволяет выводить дополнительные (определяемые производителем) интерфейсы ввода вывода в специально предназначенном для этого месте на плате КМ. Низкий бюджет теплового рассеяния предполагает использование маломощных процессоров, что в совокупности с возможностью отвода тепла через специальную теплопроводящую пластину позволяет создавать безвентиляторные решения.

Qseven позволяет использовать процессоры с архитектурой x86 и ARM. Благодаря своей тонкой конструкции, модули Qseven помещаются в компактные корпуса и, таким образом, идеально подходят для мобильных приложений и приложений IoT (рис. 9).

Основные характеристики модулей стандарта Qseven приведены в табл. 1.

SMARC

Стандарт SMARC («Smart Mobility ARChitecture») разработан консорциумом SGET в 2013 году. Модули стандарта быстро стали очень популярными масштабируемыми строительными блоками, позволяющими разработчикам создавать приложения нового поколения.

Модули SMARC предназначены для создания компактных вычислительных устройств с низким энергопотреблением. Область применения модулей SMARC постоянно расширяется по мере развития технологий Интернета вещей и искусственного интеллекта: от решений по автоматизации производства до обработки изображений, мультимедиа и т.п.

Кроме того, модули SMARC зарекомендовали себя при создании компактных портативных устройств, где энергопотребление не должно превышать нескольких ватт, а вычислительная мощность должна быть особенно высокой

Модули могут быть построены на процессорах с архитектурами ARM, X86 или RISC – аналогичных тем, которые используются во многих привычных устройствах, таких как планшетные компьютеры и смартфоны.

Спецификация определяет два размера модуля: 82 мм x 50 мм и 82 мм x 80 мм (рис.10). Основные характеристики модулей стандарта SMARC приведены в табл. 1.

Печатные платы модуля имеют 314 контактный краевой разъем, который соединяются с низкопрофильным 314-контактным прямоугольным разъемом на несущей плате (рис.11).

СOM Express

Стандарт COM Express описывает четыре типоразмера КМ, называемые Mini, Compact, Basic и Extended. Все четыре типоразмера имеют перекрывающиеся механические узлы, стандартизированные высоту и теплораспределители (рис. 12).

Модули размера Mini предназначены для компактных мобильных приложений, требующих наличие высокоскоротстных интерфейсов, поддержку высококачественную графики в сочетании с длительным временем автономной работы.

К основным характеристикам модулей Mini относятся:

• Размер модуля: 84 мм x 55 мм

• Варианты высоты стека между несущей платой и модулем 5 и 8 мм

• Широкий диапазон входного напряжения питания (4,75-20 В)

• Один 220-контактный разъем (2-й разъем обычно не используется)

Хотя это и не является обязательным требованием, модули Mini часто содержат напаянный Flash-накопитель.

 Модули Compact предназначены для мобильных систем и стационарных систем с габаритными ограничениями. К основным характеристикам модулей относятся:

• Размер модуля: 95 мм x 95 мм

• Варианты высоты стека между несущей платой и модулем 5 и 8 мм

• Высота модуля с теплоотводом 18 мм

• Возможность установки одного (или двух сложенных) модулей SO-DIMM с горизонтальным креплением.

• Два 220-контактных разъема.

 Модули Basic предназначенs для мобильных систем и стационарных систем с габаритными ограничениями. К основным особенностям модулей Basic относятся:

• Размер модуля: 125 мм x 95 мм.

• Варианты высоты стека между несущей платой и модулем 5 и 8 мм

•  Высота модуля с теплоотводом 18 мм

• Возможность установки одного (или двух сложенных) модулей SO-DIMM с горизонтальным креплением.

• Два 220-контактных разъема.

 Модули Extended, предназначены для заказных приложений, которым требуется больший объем системной памяти, допустим размер модуля для размещения полноразмерных модулей DIMM,

Ключевые особенности модулей Extended:

• Размер модуля: 155 мм x 110 мм

• Варианты высоты стека между несущей платой и модулем 5 и 8 мм

• Высота модуля с теплоотводом 18 мм

• Возможность установки двух полноразмерных модуля памяти DIMM или mini DIMM или 2 модуля SO-DIMM горизонтального или вертикального монтажа.

• Два 220-контактных разъема.

• Позволяет использовать ЦП с более высокой производительностью, которые не поддерживаются в модулях Compact и Basic.

 Габарит Extended не популярен среди серийно-выпускаемых модулей COM Express

Присоединение КМ COM Express к платам-носителям осуществляется через один или два высокоплотных низкопрофильных разъёма со стандартизированным назначением контактов (рис. 13). Наиболее популярны типы «распиновок» с номерами 6, 7 и 10. Причём для каждого типа «распиновки» стандарт COM Express описывает набор обязательных интерфейсов (минимальный набор), и набор дополнительных интерфейсов (максимальный набор).

Основные характеристики модулей стандарта COM Express и описание интерфейсов для популярных типов распиновок контактов приведены в табл. 1.

СOM-HPC

Такие приложения как искусственный интеллект, технология беспроводной связи 5G требуют большой пропускной способности и вычислительной мощности. Это, в свою очередь, требует новых подходов к проектированию встраиваемых компьютеров: вычислительной мощности существующих стандартов уже недостаточно для обеспечения растущих требований рынка встраиваемых систем по производительности и пропускной способности.

Ведущие производители компьютерных модулей и встраиваемых систем входящих в консорциум PICMG создали новую стандарт компьютерных модулей под названием COM-HPC, призванный дополнять существующий стандарт COM Express в части облегчения создания высокопроизводительных приложений.

По сравнению с COM Express, стандарт COM-HPC обеспечивает более высокую производительность встраиваемых систем. 440 контактов модуля COM Express уже недостаточно для создания мощных вычислительных устройств. К тому же производительность разъема COM Express также постепенно приближается к пределу: хотя COM Express может легко работать с тактовой частотой 8,0 ГГц и пропускной способностью 8 Гбит/с PCIe Gen 3.

Определены три типоразмера модулей COM-HPC (рис. 14):

• клиентский модуль COM-HPC/Client. Предназначен для использования в вычислительных устройствах, которым требуется один или несколько дисплеев, набор интерфейсов ввода-вывода с низкой, средней и очень высокой пропускной способностью, мощные процессоры и компактные размеры. Типичными областями применения являются медицинское оборудование, высокоточные или высокопроизводительные приборы, промышленное оборудование, игровые автоматы для казино, защищенные компьютеры для применения на транспорте и т.п. Клиентские модули обычно используют SO-DIMM или припаянную память. На модуле может быть установлено до четырех модулей памяти SO-DIMM. Размеры модулей и набор интерфейсов приведены в табл 1.

• серверный модуль COM-HPC/Server. Предназначен для использования в высокопроизводительных встраиваемых серверах без поддержки видео, которым требуется высокая производительности ЦП (до 150 Вт), большой объем памяти и большое количество операций ввода-вывода с высокой пропускной способностью, включая несколько каналов Ethernet 10 Гбит/с или 25 Гбит/с и до 65 каналов PCIe на скорости до PCIe Gen 5. Типичное применение — встраиваемое серверное оборудование, предназначенное для использования в полевых условиях и такие приложения, как автономные транспортные средства, базовые станции вышек сотовой связи, медицинское оборудование, системы специального назначения и т.п.. В серверных модулях обычно используются полноразмерные модули DIMM. В самом большом форм-факторе модуля COM-HPC может быть реализовано до восьми полноразмерных модулей памяти DIMM. Типовые размеры модулей и набор интерфейсов описаны в табл. 1.

• COM-HPC Mini. Это новый перспективный стандарт КМ, который в настоящее время разрабатывается консорциумом PICMG с целью получения компактного высокопроизводительного стандартизированного КМ. Габариты модулей нового типа составляют всего 95 × 60 мм (рис. 15). Этого удалось добиться путём отказа от одного из разъёмов, так что контактов у COM-HPC Mini всего 400. По коммутационным возможностям это 90% от возможностей COM Express Type 6 (125 × 96 мм). На данный момент размеры и "распиновка" COM-HPC Mini финализированы, минимальные изменения в стандарт могут быть внесены в I и II кварталах 2023 года.

Назначение контактов клиентского и серверного модулей имеют много общего, но они разные. Клиентские модули не следует использовать с несущей платой, предназначенной для использования с серверным модулем, и наоборот.

В COM-HPC используется 400 контактные разъемы. На модуле может быть установлено один или два таких разъемов, что обеспечивает высокую пропускную способность на основе 800 контактов (рис. 16).

Табл.1 Основные параметры наиболее популярных типов КМ

Примеры использования КМ

Системы, базирующиеся на КМ, встречаются во многих областях промышленности. Удобство использования платы-носителя и КМ, позволяет применять данное решение практически во всех ответственных приложениях. Например, разработчику нужно совместить собственную шину, давно и широко им используемую, с современным набором интерфейсов ввода-вывода, добавить подсистему хранения данных и подсистему вывода графической информации на консоль оператора. Использование КМ и носителя позволяет создать такое оборудование в рамках существующих конструктивов и систем питания.

Следующий пример иллюстрирует преимущества времени выхода на рынок и масштабируемости, полученные от использования КМ. Как правило, дисплей машиниста (рис. 17) представляет собой 10-дюймовый панельный ПК со степенью защиты IP65 с клавиатурой по периметру для ввода данных и выбора экрана отображения состояния узлов локомотива.

Модуль COM Express был выбран для этого приложения из-за возможности реализации на нем вычислительного ядра, в то время как на основной плате размещались система питания, гальваническая развязка интерфейсов, источник бесперебойного питания и карты памяти. В этом случае дисплей получил модульную конструкцию, которая позволяет использовать его для различных систем локомотивов: отображения информации микропроцессорной системы управления (МСУ) локомотива, системы видеонаблюдения или безопасности. К тому же в дисплее отсутствуют вентиляторы и другие движущиеся механизмы, что повышает надежность и снижает уровень шума.

Модульный подход позволил относительно небольшой группе разработчиков, завершить концептуальный проект и прототипирование в течение 12 недель, что является значительным улучшением по сравнению с обычным графиком в 6-9 месяцев.

За пару лет компания разработала пять модификаций дисплеев под разные локомотивы. При этом удалось избежать разработки новой системной платы. Вместо перепроектирования всей материнской платы разработчикам просто нужно было установить новый модуль или изменить внешнюю клавиатуру, чтобы подготовить дисплей к требованиям новых локомотивов.

Следующие фото (рис. 18) наглядно показывает, как использование КМ позволяет повысить надежность изделия путем избавления от необходимости использования проводных соединений. Базовый набор интерфейсов, расположенный на КМ, подходит для создания практически любого вычислительного устройства.