Smart-Mobility-Architektur SMARC bringt ARM-Prozessoren aufs Modul

Smart-Mobility-Architektur (SMARC)
Smart-Mobility-Architektur (SMARC)

Mit der Smart-Mobility-Architektur, oder kurz SMARC, hat die SGET den ersten hersteller- unabhängigen Computermodul-Standard für reinrassige ARM-Designs ratifiziert. Er zielt zwar auf mobile Systeme, -aber auch viele stationäre Applikationen werden von diesem Standard profitieren.

Die leistungsfähigen ARM-Prozessoren, wie sie für Smart-phones und Tablets entwickelt wurden, faszinieren Entwickler durch ihre hohe Leistung bei geringem Energiebedarf. Mit diesen Prozessoren können Hersteller von industriellen, robusten Geräten Lösungen umsetzen, die sie weder mit weniger komplexen ARM-Designs noch mit leistungsfähigeren x86-Designs bedienen konnten. Es schließt sich folglich eine sehr attraktive Marktlücke, indem vergleichsweise viel Grafik- und Rechen-Performance im unteren einstelligen Wattbereich geboten wird.

Dank des geringen Energieverbrauchs sind lüfterlose, robuste und sehr kompakte Systemdesigns möglich. Zur Wärmeabfuhr reicht oft die Anbindung an das Gehäuse. Allerdings verlangt eine solch optimierte SFF-Auslegung (Small Form Factor) in der Regel nach einem individuellen, hoch inte-grierten Design. Wünschenswert ist daher ein Lösungsansatz, mit dem Gerätehersteller und Maschinenbauer diese neue Prozessorklasse bei möglichst geringem Designaufwand in ihre Anwendungen integrieren können.

Computermodule für Small-Form-Factor-Designs

Hierfür benötigen sie fertige Bausteine, die ihnen die Freiheit eines eigenen Designs geben, gleichzeitig aber Entwicklungsaufwendungen und Risiken minimieren. Genau dazu ist ein „Computer-on-Module” (COM) da. Es enthält die Kernkomponenten eines Computersystems wie Prozessor, Controller, Festspeicher und Arbeitsspeicher auf einer hochintegrierten und damit kompakten Zukauf-Komponente.

Die Anpassung an individuelle Anforderungen erfolgt über individuell zu entwickelnde Träger-Boards. Sie führen die Signalleitungen vom Modul an die Systemschnittstellen heraus und enthalten zusätzliche applikationsspezifische Komponenten wie z.B. Sensoren oder Controller. Diese Carrier Boards bieten Entwicklern bei Größe und Form eine besonders große Design-freiheit: Einzig der minimale Footprint wird über die Modulgröße definiert. Da sich die anspruchsvollen Bauelemente (Prozessor, Speicher etc.) auf dem Modul befinden, ist die Entwicklung und Fertigung eines Carrier Boards vergleichsweise einfach und schnell zu erledigen.

Bei diesem modularen Lösungsansatz übernimmt der Modulhersteller den Integrationsaufwand für den Prozessor. Das macht COMs zu einer idealen Wahl für die effiziente Entwicklung individueller Designs. Wie groß der Bedarf nach solchen ARM-Building-Blocks ist, belegen dabei Studien von IMS und VDC, aus denen man für ARM-basierte COMs bis 2016 eine durchschnittliche jährliche Wachstumsrate von 25 Prozent ableiten kann. Dieses enorme Wachstum könnte den Anteil der gehandelten ARM-COMs auf knapp 60 Prozent des gesamten COM-Markts katapultieren.

Auf herstellerunabhängige Standards achten

In einem solch dynamischen Umfeld ist es wichtig, dass Entwickler auf das richtige Pferd setzen. So sollten sie COM-Lösungen mit herstellerunabhängiger Standardisierung den Vorzug geben. Schließlich bieten diese eine deutlich höhere Designsicherheit als herstellerspezifische Module. Für einen langfristigen Erfolg sollten diese Standards eine besonders breite Unterstützung unter den Herstellern genießen. Doch ein Standard für alle Technologien - das ist wiederum nicht empfehlenswert. Herstellerunabhängige Standards müssen nämlich stimmig und fokussiert ausgelegt sein. Zu viele untereinander nicht kompatible Optionen verwässern die Durch-setzungskraft eines Standards.

Entwickler von ARM-Lösungen hatten unter diesen Prämissen in der Vergangenheit keine Unterstützung: Bis vor kurzem gab es keinen von einem unabhängigen Gremium verabschiedeten Computermodul-Standard, der die spezifischen Anforderungen von ARM/SoC-Prozessoren berücksichtigte. Die existierenden Modul-Standards wie ETX und COM Express wurden für x86-Architekturen entwickelt und eignen sich weniger für ARM- oder SoC-Prozessormodule, weil es alleine aufgrund der sehr unterschiedlichen Anforderungen an die Stromversorgung der Komponenten und der zum Teil sehr unterschiedlichen Schnittstellen wenig Sinn hat, diese Standards zu verwässern.

Nicht zuletzt bieten ARM-SoCs für ähnliche Aufgaben auch andere Schnittstellen an als x86-Plattformen. Exemplarisch seien hier MIPI-Schnittstellen für eine energieeffiziente Displayanbindung genannt sowie das Serial Peripheral Interface (SPI), welches für allgemeine Peripherieanbindung genutzt wird - im Gegensatz zu x86, wo die SPI-Schnittstelle nur zur Anbindung eines Boot-Geräts genutzt wird. Auch bieten ARM-Prozessoren noch weitere spezifische Schnittstellen, wie zum Beispiel I²S oder diverse Kameraeingänge, die bei x86-Systemen nicht zum Standardfunktionsumfang zählen. Zieht man all dies in Betracht, so ist zu erkennen, dass alle bekannten COM-Konzepte, die originär für x86-Prozessoren und -I/Os entwickelt wurden, für ARM-Designs nicht ideal passen (Bild 1).

SMARC - der neue Standard - der SGET

Mit der Ratifizierung der SMARC-Spezifikation existiert nun ein Standard für ARM-Computermodule. SMARC steht für Smart Mobility ARChitecture. Die Module sind besonders flach und der Standard wurde von der SGET innerhalb kürzester Zeit verabschiedet. Das unterstreicht sowohl den hohen Bedarf nach einem neuen, herstellerunabhängigen Bauformat wie auch die Handlungsfähigkeit des neuen Gremiums.

Die SMARC-Spezifikation definiert zwei Modulgrößen: „Short“ mit 82 × 50 mm² für extrem kompakte Low--Power-Designs sowie eine größere mit 82 × 80 mm² für mögliche kommende, leistungsfähigere SoCs mit einem erhöhten Platz- und Kühlbedarf. Als Anschluss wurde der MXM-3.0-Steckverbinder gewählt. Mit seiner Bauhöhe von lediglich 4,3 mm lassen sich besonders flache Systeme mit weniger als einem Zentimeter Gesamt-Bauhöhe entwickeln.

Auf der elektrischen Seite führen SMARC-Module insgesamt 314 Pins aus. Effektiv bietet SMARC 281 I/O-Signalleitungen. Das sind 50 mehr als beispielsweise der alte MXM-2.0-Anschluss insgesamt aufweist. Es lassen sich hier folglich deutlich mehr dedizierte Schnittstellen spezifizieren. Dadurch kann SMARC ein extrem breites Angebot an dedizierten ARM- und SoC-Prozessoren unterstützen.