Computer-Module Mehr Flexibilität für ein erfolgreiches Design

Computer-Module spielen beim Entwickeln von Referenz-Designs eine entscheidende Rolle.
Computer-Module spielen beim Entwickeln von Referenz-Designs eine entscheidende Rolle.

Die Entwicklungszyklen von Elektronik-Produkten werden immer geringer. Wer sein Produkt als Erster am Markt platziert, hat oft schon so gut wie gewonnen. Da heißt es schnell sein.

Eine schnelle Anwendungsentwicklung und Markteinführung bringt einen erheblichen geschäftlichen Nutzen mit sich – jedoch lediglich, wenn die Qualität stimmt. Hier können neue Technologien, nicht zuletzt CoMs (Computer-on-Modules), Anwendungen einen entscheidenden Vorsprung geben. CoMs umfassen Komponenten wie Prozessor, Kühlkörper und Speicher – alles in einem einzigen Modul. Sie erleichtern Entwicklern in den Bereichen Industrie, Medizintechnik sowie Einzelhandel und Logistik die Arbeit.

Es gibt viele Gründe, die Entwicklungszyklen zu verkürzen, gerade um eine schnellere Rendite zu erzielen. Außerdem ergibt sich ein großer geschäftlicher Vorteil, wenn das Produkt zeitlich vor der Konkurrenz auf den Markt kommt. Ein frühes Feedback verschafft den Entwicklern einen weiteren Marktvorteil.

Solche Wettbewerbsziele zu erreichen, wird in den kommenden 12 Monaten noch wichtiger sein. Wichtige industrielle Trendbereiche wie künstliche Intelligenz (KI) und das Internet der Dinge (IoT) wachsen stark – das befeuert eine immer größere Nachfrage nach leistungsfähigen Rechnern.

Breites Anwendungsfeld

Die Anwendungen sind breit gefächert und umfassen ebenso Edge-Computing-Plattformen mit hohem Datendurchsatz, um dem zunehmenden Einsatz von 5G-Mobilfunk gerecht zu werden. Fast jede Anwendung, die Autonomie, hohe Bandbreite und eine niedrige Latenzzeit erfordert, profitiert letztlich von der CoM-Technik.

Ein weiterer interessanter Bereich für den Einsatz von Computer-Modulen ist die industrielle Bildverarbeitung (Machine Vision). Hier ist zunehmend KI für eine Form der Qualitätskontrolle oder Verifizierung erforderlich. Zum Beispiel für die automatische Kennzeichenerkennung bei Fahrzeugen oder die automatisierte Diagnose im medizinischen Bereich. Anwendungen für Entwickler von Deep-Learning-Frameworks, gewinnen ebenfalls an Bedeutung.

Ein weiterer Faktor, der hier eine Rolle spielt, ist die COVID-19-Pandemie und die tiefe wirtschaftliche Rezession, die sie verursacht. Um zu überleben, muss die Industrie innovativ sein. Ausgereifte CoM-Produkte können das Entwickeln neuer Anwendungen beschleunigen, gerade wenn sie mit umfassenden Entwicklungsdienstleistungen unterstützt werden. Obwohl der Umfang und die Art der Unterstützung von jeder einzelnen Anwendung abhängen, wird ein CoM-Spezialist in der Lage sein, seine Kernkompetenz bereitzustellen. Beispielsweise für Mainstream-Plattformen mit 45W-CPUs der aktuellen Generation und Anwendungen zur Durchlaufkühlung, um thermische Probleme in Schach zu halten.

Advantechs Kompetenzen umfassen Remote-Anwendungen für das Gerätemanagement. Eine benutzerfreundliche Schnittstelle macht es einfach, industrielle IoT-Systeme (IIoT) zu integrieren, zu visualisieren, zu bedienen und zu verwalten. Nutzer können den Zustand der Systeme überwachen, in Echtzeit Maßnahmen zum Ein-/Ausschalten ergreifen, Probleme beheben und Software-/Firmware-Updates Over-the-Air (OTA) vor Ort und per Fernzugriff in großem Maßstab erledigen.

Natürlich suchen immer mehr CoM-Anwender nach Produkten mit einer höheren Rechenleistung, um mit Multitasking-Verarbeitung und dem Übertragen großer Datenmengen in IoT-Anwendungen fertig zu werden. Hier schaffen die aktuellen Server-Module mit schnelleren I/Os, mehr RAM und leistungsfähiger COM-Boards eine neue Ära, um die Obergrenze der Rechenleistung zu durchbrechen.

Einsatzkritische Anwendungen sind eine weitere Kernkompetenz. Bei militärischen Radargeräten oder Herzschrittmachern kann lediglich Elektronik mit hoher Zuverlässigkeit einen unterbrechungsfreien Betrieb gewährleisten. Ein vertrauenswürdiger CoM-Spezialist sollte nach IPC-A-601G Klasse 3 zertifiziert sein, um seine Eignung für einsatzkritische Anforderungen zu gewährleisten.

Inhärente Flexibilität

Mithilfe der Standardspezifikation der CoM-Architektur mit unterschiedlichen Formfaktoren und Anschlussbelegungen, sind Kunden flexibel und können Entwicklungszeit einsparen. Kunden, die den Entwicklungsaufwand minimieren und die Markteinführung beschleunigen wollen, sollten sich über eine CoM-Strategie Gedanken machen. Kurz gesagt, der Ansatz des modularen CoM-Designs entlastet Entwickler von den vielen Komplexitäten des CPU-System- oder Subsystem-Designs.

Ein guter Ausgangspunkt bei der Suche nach Hochleistungs-Computing-Anwendungen sind Intels Mobile-Core-Plattformen. Advantech verzeichnet derzeit eine hohe Nachfrage nach Intels Whiskey-Lake-U- und Coffee-Lake-H-Prozessoren, die als Plattformen für Advantechs COM-Express-Serie dienen. Im Jahr 2020 hat sich das System-on-Module (SOM)-6882 in medizintechnischen Anwendungen bewährt und dazu beigetragen, viele Menschen vor den schweren Folgen von COVID-19 zu schützen.

Natürlich gibt es die hohe Rechenleistung nicht zum Nulltarif – der Kompromiss zwischen Wärme- und Geräuschentwicklung ist unvermeidlich. Daher ist eine effektive Anwendung für das geräuschlose Kühlen bei hoher Leistungsaufnahme erforderlich.

Anwender, die ein entsprechendes System benötigen, sollten Produkte in Betracht ziehen, die Zugriff auf die volle Leistung (100 Prozent) der CPU ohne Drosselung bieten, beispielsweise Advantechs QFCS. Mit der Anwendung, die einen fortschrittlichen Kühlkörper umfasst, lässt sich die CPU mit 45 W und einer Umgebungstemperatur bis zu 60 °C betreiben. In Bezug auf die Geräuschentwicklung sollte ein gut konzipiertes Durchlaufkühlsystem eine Geräuschspitze von nicht mehr als 45 dB bei 4300 U/min aufweisen, was der maximalen Geschwindigkeit typischer CPU-Lüfter entspricht.

Plattformen mit geringer Leistungsaufnahme

Hohe Leistungsfähigkeit ist jedoch nicht alles. Bei bestimmten Anwendungen können die Verlustleistung, Kühlung und eine geringe Bauhöhe wesentlich wichtiger sein. Der Zugang zu einer Reihe spezieller Plattformen mit niedrigerer Leistungsaufnahme ist daher von entscheidender Bedeutung – insbesondere solche, die für Anwendungen optimiert sind, bei denen jedes Watt zählt.

Ein weiterer wichtiger Bereich sind deshalb Rechner nach SMARC-2.0-Spezifikation. Um die Arbeit an SMARC-2.0-Anwendungen zu beschleunigen, spart ein vorgefertigtes Plug-and-Play-Entwicklungs-Starterkit erheblichen Zeit- und Arbeitsaufwand ein. Solche Kits sollten ein Display, ein Carrier-Board, einen Kühlkörper, ein Netzteil und alle erforderlichen Kabel enthalten. Ein Kit wie das Advantech SOM-DK2569 enthält auch eine Demo-Lizenz der Wise-Paas/DeviceOn IoT-Software. Sie kann  Hunderte oder Tausende von Geräten in der Fertigung überwachen und verwalten sowie gleichzeitig OTA-Software (Over-the-Air) und BIOS-Updates durchführen.

Manchmal reichen Produkte der Einstiegs- und mittleren Leistungsklasse nicht aus. Das heißt, ein Entwickler greift zu CoMs der Serverklasse mit vielen Kernen und großer Speicherkapazität. Sie bieten eine hohe Datenverarbeitungskapazität, Netzwerkbandbreite, Skalierbarkeit, einfache Bereitstellung, geringe Latenz sowie die Möglichkeit des Einsatzes auf Remote-Management-Plattformen.

Wo einsatzkritische Leistungsfähigkeit in rauen Betriebsumgebungen gefordert ist, zum Beispiel bei Anwendungen für Testgeräte, im Transport- und Verteidigungssektor, ist ein robustes und widerstandsfähiges CoM-Design neben Funktionen wie Speicherausfallschutz, SO-DIMM, On-Board-Massenspeicher und konformer Beschichtung erforderlich.

Innovation unterstützen

Neben guten Entwicklern ist Support beim Fertigen von CoMs von großer Bedeutung. Eine gute Möglichkeit, den Einsatz und die Markteinführung zu beschleunigen, besteht darin, einen Partner zu finden, der die komplette Carrier-Board-Entwicklung gemäß den Kundenspezifikationen erfüllt und beim Übergang in die Qualitätssicherungs- und Testphase zur Seite steht.

In Bezug auf das Testen zahlt es sich aus, einen Anbieter mit umfangreichen internen Einrichtungen zu beauftragen. Zugang zu einer HALT-Kammer (High Accelerated Life Test) stellt beispielsweise sicher, dass Produkte nicht nur in den ersten sechs Monaten oder zwei Jahren den Anforderungen der Anwendung standhalten, sondern während ihres gesamten Produktlebenszyklus.

Die Entscheidung, mit einem Spezialisten zusammenzuarbeiten, der Expertenwissen, Produkte und Fertigungs-/Testressourcen bereitstellt, hilft Entwicklern, ihre Produkte schneller am Markt zu platzieren. Wobei die Qualität nicht beeinträchtig wird – was in einer ausgereiften Serienfertigung mündet. In einer Zeit, in der die Kostenunterschiede minimal sind, müssen andere Mittel gefunden werden, um einen Wettbewerbsvorteil zu erzielen. Der Einsatz von CoMs in Verbindung mit Best-Practice-Design und Fertigungsunterstützung erweist sich daher als ein beliebter Weg.