Компьютерные модули:
преимущества и популярные стандарты

Компьютерные модули, называемые также компьютерами на модуле (Computer-on-Module) или системами на модуле (System on module), становятся все более популярным решением многих задач, в которых требуется быстро создать специализированный вычислительный узел, используя встроенный компьютер с необходимыми компонентами периферии. Эти модули — хороший выбор для индустриальных применений, особенно в случаях, когда решения на базе стандартных одноплатных встраиваемых компьютеров неэффективны.

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

Рис. 1. Устройство КМ

В стандартном модуле есть все ключевые возможности 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). Пользователю нужно лишь добавить специально разработанную несущую плату для выполнения определенных функций. На этой плате (рис. 2) размещаются все интерфейсные разъемы для подключения системы к периферийным устройствам — жестким дискам, дисплеям и т. д.

Рис. 2. Несущая плата с КМ

Благодаря компактным размерам и широкому набору интерфейсов, выводимых через стандартные разъемы, КМ позволяют совмещать современную функциональность и компьютеров, и приложения, а также специализированные интерфейсы в рамках одной встраиваемой системы. КМ широко применяются как для решения задач, которые невозможно эффективно решить с помощью стандартных встраиваемых плат, так и для обновления технического устройства существующих систем.

Практически все преимущества использования КМ — экономические. Самое главное из них — снижение стоимости и ускорение разработки вычислительного узла.

Большинство компаний не обладает ресурсами для разработки вычислительного устройства на современных процессорах с нуля. Разработка и отладка одноплатного компьютера для каждого поколения процессоров и современных быстродействующих шин, а также техническая поддержка пользователей могут быть чрезвычайно дорогостоящими и трудоемкими. На рис. 3 показано сравнение сроков полного и полузаказного проектирования.

Рис. 3. Сравнение подходов к разработке вычислительного устройства

При выборе готовых встраиваемых КМ необходимость в разработке вычислительного узла отпадает. Этот этап заменяется конфигурированием и разработкой относительно простой несущей платы, что обычно занимает 2–3 мес. Таким образом, при использовании КМ можно достичь двух- или трехкратного сокращения временных и финансовых затрат. При этом у разработчика появляется возможность применения недоступных ранее технологий и продуктов. Модульность архитектуры КМ позволяет быстро создавать готовые приложения, в том числе на основе технически сложных компонентов, созданных сторонними экспертами в своих областях. Благодаря этому разработчик системы может сконцентрироваться на собственных ключевых задачах и реализации технических требований к разрабатываемому устройству.

При использовании КМ разработку аппаратной и программной частей решения можно вести параллельно. В то время, когда инженеры-схемотехники продумывают архитектуру и трассировку платы-носителя, программисты могут работать над прикладным программным обеспечением, используя КМ и отладочную плату, предоставляемую производителями КМ специально для таких целей. Как правило, отладочные платы содержат большой набор интерфейсов, с помощью которого можно подключить к КМ необходимые модули расширения на основе стандартных форм-факторов и смоделировать аппаратную архитектуру системы.

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

Обзор рынка

Мировой рынок КМ неуклонно растет с момента выпуска первого стандарта COM Express в 2005 г. С тех пор КМ нашли применение в самых разных вычислительных приборах и приложениях, а особенно в тех, которые требуют компактных компонентов и гибкого подхода к модернизации и адаптации под различные применения. Производители телекоммуникационного оборудования и аппаратуры связи, сетевых устройств, игровых автоматов, устройств промышленной автоматизации и медицинского оборудования уже много лет используют КМ.

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

Рис. 4. Объем продаж КМ в мире за 2018–2023 гг.

Особенно высоким спросом пользуются КМ стандарта COM Express. Их популярность основана на заложенной в стандарт гибкости, наличии нескольких типов размеров и назначений контактов при использовании общих разъемов и монтажных отверстий. COM Express поддерживает высокоскоростные последовательные интерфейсы, включая PCIexpress Gen 3, 10GbE, USB 3.0, SATA, а также графику высокого разрешения. Альтернативные архитектуры КМ, такие как Qseven и SMARC, имеют свои уникальные преимущества и предоставляют возможность использования процессоров с архитектурами ARM и x86 (рис. 5). Их активно применяют в маломощных и мобильных системах.

Рис. 5. Рынок КМ, сегментированный по форм-факторам (% общего объема продаж)

Стандарты

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

ETX

Спецификация ETX (англ. Embedded Technology eXtended) появилась самой первой, и можно сказать, что именно с нее, разработанной компанией Kontron, фактически началась эра КМ. Главная особенность данной спецификации заключается в наличии шины ISA. Соответственно, КМ этого стандарта, как правило, выбирают заказчики, которым нужна эта шина.

Размер платы в КМ стандарта ETX 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.

Рис. 6. Габаритные размеры модулей ETX

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

КМ спецификации ETX (рис. 7) до сих пор широко распространены и используются 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. Модуль МЦП901 производства АО «НПК «АТРОНИК»

QSeven

Создатели спецификации Qseven (рис. 8) — компании Congatec и Seco (рис. 9). Данная спецификация была разработана с целью как можно больше удешевить КМ, тем самым сделав их более доступными и более приемлемыми для относительно простых приложений.

Рис. 8. Габаритные размеры модулей QSeven

Рис. 9. Модуль ATLAS производства Seco

Модули этого стандарта имеют габариты 70×70 или 40×70 мм. QSeven предполагает использование всего одного разъема MXM (такие разъемы широко применяются для подключения высокоскоростных графических карт PCI Express в ноутбуках), устанавливаемого на плате-носителе, и краевых двухсторонних контактов на плате КM.

Основные характеристики модулей стандарта Qseven приведены в табл. 1.

Спецификация позволяет выводить дополнительные (определяемые производителем) интерфейсы вводавывода в специально предназначенном для этого месте на плате КМ. Низкое тепловое рассеяние предполагает использование маломощных процессоров, что в совокупности с возможностью отвода тепла через специальную теплопроводящую пластину на плате и далее на корпус позволяет создавать безвентиляторные решения.

Qseven дает возможность использовать процессоры с архитектурой x86 и ARM. Благодаря тонкой конструкции модули Qseven помещаются в компактные корпуса и поэтому отлично подходят для мобильных приложений и приложений IoT.

SMARC

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

КМ SMARC предназначены для разработки компактных вычислительных устройств. Область применения таких КМ постоянно расширяется по мере развития технологий «Интернета вещей» и искусственного интеллекта и уже охватывает множество решений: от автоматизации производства до обработки изображений, мультимедиа и т. п.

Кроме того, модули SMARC зарекомендовали себя в качестве строительных блоков для очень маленьких портативных устройств, энергопотребление которых 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 в таких привычных устройствах, как планшетные компьютеры и смартфоны.

Спецификация определяет два размера модуля: 82×50 и 82×80 мм (рис. 10).

Рис. 10. Габаритные размеры модулей SMARC

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

Рис. 11. Модуль conga-SMX8-Plus производства Congatec

СOM Express

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

Рис. 12. Габаритные размеры модулей COM Express

Модули размера Mini предназначены для компактных мобильных приложений, требующих наличия высокоскоростных интерфейсов, поддержки высококачественной графики и длительного времени автономной работы.

К основным характеристикам модулей Mini относятся:

• размер: 84×55 мм;
• высота стека между несущей платой и модулем: 5 или 8 мм;
• широкий диапазон входного напряжения питания: 4,75–20 В;
• один 220-контактный разъем (второй разъем обычно не используется).

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

Модули Compact предназначены для мобильных и стационарных систем с габаритными ограничениями. Среди основных характеристик:

• размер: 95×95 мм;
• высота стека между несущей платой и модулем: 5 или 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 также предназначены для мобильных и стационарных систем с габаритными ограничениями. К их основным особенностям относятся:

• размер: 125×95 мм;
• высота стека между несущей платой и модулем: 5 или 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 разработаны для приложений, которым требуется больший объем системной памяти. Доступно размещение в модуле полноразмерных модулей DIMM.

Ключевые особенности модулей Extended:

• размер: 155×110 мм;
• высота стека между несущей платой и модулем: 5 или 8 мм;
• высота модуля с теплоотводом: 18 мм;
• возможность установки двух полноразмерных модулей памяти DIMM или mini DIMM либо двух модулей SO-DIMM горизонтального или вертикального монтажа;
• два 220-контактных разъема;
• возможность использовать центральные процессоры с более высокой производительностью, чем у КМ Compact и

Из-за габаритов модули Extended не пользуются популярностью у потребителей модулей COM Express.

Присоединение КМ COM Express к платам-носителям осуществляется через один или два высокоплотных низкопрофильных разъема с определенными типами назначения контактов. Наиболее популярны типы распиновок с номерами 6, 7 и 10. При этом для каждого типа распиновки стандарт COM Express описывает набор обязательных (минимальный набор) и дополнительных (максимальный набор) интерфейсов.

Основные характеристики модулей стандарта COM Express и описание интерфейсов для популярных типов распиновок контактов приведены в табл. 1. Пример модуля показан на рис. 13.

Рис. 13. Модуль МЦП1301 производства АО «НПК «АТРОНИК»

СOM-HPC

Такие приложения, как искусственный интеллект и беспроводная связь 5G, требуют большой пропускной способности и вычислительной мощности оборудования. Соответственно, необходимы новые подходы к проектированию встраиваемых компьютеров: производительности существующих стандартов уже недостаточно для обеспечения растущих требований рынка встраиваемых систем.

Ведущие производители КМ и встраиваемых систем, входящие в консорциум PICMG, создали новый стандарт КМ под названием COM-HPC, призванный дополнить существующий стандарт COM Express и облегчить разработку высокопроизводительных приложений.

По сравнению с COM Express стандарт COM-HPC обеспечивает более высокую производительность встраиваемых систем (табл. 2). 440 контактов модуля COM Express уже недостаточно для создания мощных вычислительных устройств. Кроме того, производительность разъема COM Express также постепенно приближается к пределу, хотя он может легко работать с тактовой частотой 8 ГГц и пропускной способностью 8 Гбит/с PCIe Gen 3.

Примечание. BMC (Baseboard Management Controller) — контроллер для мониторинга и управления модулем.

Рис. 14. Габаритные размеры модулей COM-HPC

Доступны два типоразмера модулей COM-HPC (табл. 3, 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 в спецтехнике и т. п. Клиентские модули обычно используют SO-DIMM или напаянную память. На КМ 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 центрального процессора (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 PCI Express на скорости до PCIe Gen 5. Типичные области применения — встраиваемое серверное оборудование, предназначенное для использования в полевых условиях, автономные транспортные средства, базовые станции вышек сотовой связи, медицинское оборудование, системы специального назначения и т. п. В серверных модулях обычно используются полноразмерные модули В самом большом форм-факторе КМ может быть реализовано до восьми полноразмерных модулей памяти DIMM. Типовые размеры модулей и набор интерфейсов описаны в табл. 1.

Контакты клиентского и серверного модулей имеют схожее назначение, но есть и различия, поэтому клиентские модули не следует использовать с несущей платой, предназначенной для использования с серверным модулем (и наоборот).

В COM-HPC применяются 400-контактные разъемы (рис. 15). На модуле могут быть установлены два таких разъема, что обеспечивает высокую пропускную способность на основе 800 контактов.

Рис. 15. Модуль COM-HPC-sIDH производства Adlink

Пример использования КМ

Системы, базирующиеся на КМ, встречаются во многих областях промышленности. Удобство использования платы-носителя и КМ позволяет применять такие системы практически во всех критически важных приложениях. Например, если разработчику нужно совместить собственную шину, давно и широко им используемую в производимом оборудовании, с современным набором интерфейсов ввода-вывода, добавить подсистему хранения информации и подсистему вывода графической информации на консоль оператора, то использование КМ и носителя позволит создать такое оборудование в рамках существующих конструктивов и систем питания.

Рассмотрим пример разработки дисплея машиниста (рис. 16), показывающий преимущества быстрого выхода на рынок и масштабируемости, полученные от использования КМ.

Рис. 16. Индикаторный блок БИ05 производства АО «НПК «АТРОНИК»

Как правило, дисплей машиниста представляет собой 10-дюймовый панельный ПК со степенью защиты IP65 и клавиатурой по периметру для ввода данных и выбора экрана отображения состояния узлов локомотива.

Для реализации дисплея был выбран модуль COM Express — из-за возможности реализации на нем вычислительного ядра, в то время как на периферийных платах были размещены система питания, гальваническая развязка интерфейсов, источник бесперебойного питания и карта памяти. Контроллер клавиатуры, слоты расширения miniPCIe и карт памяти и ответная часть разъема COM Express были размещены на системной (несущей) плате.

Благодаря такому решению дисплей получил модульную конструкцию, которая позволяет использовать его для различных систем локомотивов: отображения информации от МСУД, системы видеонаблюдения или безопасности. К тому же в дисплее отсутствуют вентиляторы и другие движущиеся механизмы, что повышает его 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 сроком в 6–9 мес.

За два года компания разработала пять модификаций дисплеев под разные локомотивы. При этом удалось обойтись без разработки новой системной платы: вместо перепроектирования всей материнской платы разработчикам просто нужно было устанавливать модуль расширения или заменять внешнюю клавиатуру.

Рис. 17 наглядно показывает, как использование КМ позволяет повысить надежность изделия, избавляя от необходимости использовать проводные соединения. Базовый набор интерфейсов, расположенный на КМ, подходит для создания практически любого вычислительного устройства.

Рис. 17. Опытные и серийные образцы контроллеров на базе КМ производства АО «НПК «АТРОНИК»