Industrie-PCs MicroTCA ratter- und rüttelfest

AdvancedTCA ist im anspruchsvollen Umfeld der Telekommunikationszentralen seit Jahren etabliert. Die Anforderungen, die in diesem Embedded-Computing-Bereich herrschen, sind extrem: 24-Stunden-Betrieb, eine sehr hohe Bandbreite sowie höchstmögliche und dauerhafte Zuverlässigkeit. Durch die Fortschritte der „kleinen“ Geschwisterplattform MicroTCA konnten die Designvorzüge von AdvancedTCA sogar noch gemehrt werden.

Die wachsende Nachfrage nach modularen, robusten Systemen belebt das Interesse an MicroTCA zusehends. Denn gefragt sind Plattformen, die eine hohe Bandbreite und Performance sowie Vorzüge in Sachen Energieverbrauch, Größe und Skalierbarkeit für anspruchsvolle, platzbeschränkte Applikationen bieten.

Wünschenswert ist für Applikationsentwickler zudem, die benötigte Leistung und Flexibilität möglichst kosteneffizient zu erhalten. Nicht zuletzt deshalb ist MicroTCA in seinen vielfältigen Varianten bei Entwicklern sicherheitskritischer Applikationen so beliebt. Elektronische Systeme in der Wehrtechnik beispielsweise teilen viele Designgrundsätze von Telekommunikationssystemen, deshalb werden hier in vernetzten Applikationen mit hoher Bandbreite vermehrt MicroTCA-Systeme eingesetzt. Aber auch andere Embedded-Märkte mit hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Robustheit, wie beispielsweise im Transportwesen, in der Energiebranche und der Automatisierung profitieren von den bewährten Designprinzipien, die in hoher Bandbreite, Performance und Zuverlässigkeit münden.
 
Systementwicklern, die ein Design mit MicroTCA aufsetzen möchten, steht eine ganze Reihe von Optionen zur Verfügung, um ihr Wunschsystem für anspruchsvolle Umgebungsbedingungen und Performance-Anforderungen auszulegen. Dazu ist es zunächst notwendig, einen Überblick über die verschiedenen Optionen und Designelemente zu gewinnen, die eine MicroTCA-Infrastruktur so attraktiv machen.

Die MTCA.0- Basisspezifikation

Das PICMG-Konsortium hat den MicroTCA-Standard mit dem Ziel entwickelt, sowohl die vielfältigen Ansprüche an Embedded-System-Designs zu befriedigen, als auch die Philosophien des AdvancedTCA-Standards zu bewahren ( Bild 1 ), insbesondere die konkreten Verbindungs-Topologien und Managementstrukturen. Gegenüber dem AdvancedTCA-Standard, der für extrem leistungshungrige Telekommunikationsserver optimiert wurde, adressiert MicroTCA kostensensible und physikalisch kompaktere Applikationen mit geringeren Kapazitäts- und Leistungsanforderungen. Durch die Konfigurierbarkeit mittels Advanced Mezzanine Cards (AdvancedMCs oder AMCs) lässt sich Micro-TCA flexibel an unterschiedliche Applikations- und Bandbreitenanforderungen anpassen.

Im Gegensatz zu AdvancedTCA-Systemen spezifiziert MicroTCA ein System, das AMCs ohne ein dediziertes AdvancedTCA-Carrierboard integriert. Die AMCs werden stattdessen direkt in eine passive Backplane gesteckt, wodurch MicroTCA die Performance-Vorzüge von AdvancedTCA in einer kompakteren, energieeffizienteren Plattform bietet. Diese Plattform kann bis zu zwölf AMCs enthalten, jede mit bis zu 21 seriellen High-Speed-Verbindungen zur Backplane mit jeweils einer Bandbreite bis zu 2,5 Gbit/s. Die Systeme sind typischerweise zwischen 1 HE und 4 HE hoch und 300 mm tief, was Größe und Kosten reduziert und MicroTCA für eine ganze Reihe robust auszulegender Applikationen abseits der Telekommunikation attraktiv macht.

Kasten:  Kühlung - Konduktion und Konvektion
Bei der Kühlung von robusten Computer­systemen, Leiterplatten und Chips stößt man immer wieder auf die Begriffe „conduction-cooled“ und „convection-cooled“. Konduktion und Konvektion sind Mechanismen der Wärmeleitung. Bei Konduktion wird Wärme durch einen Feststoff – also typischerweise durch einen Kühlkörper – abgeleitet. Dabei wird nur die thermische Energie übertragen, ein Transport von Teilchen findet nicht statt. Der Teilchentransport ist das Charakteristikum der Konvektion. Bei Konvektionskühlung wird Wärme durch einen Luftstrom oder eine Flüssigkeit abgeleitet. Dieser Teilchenstrom kann auf natürliche Weise, z.B. durch das Aufsteigen warmer Luft, entstehen oder zwangsweise durch einen Lüfter oder eine Pumpe. Möglich ist auch die Zuführung vorgekühlter Luft/Flüssigkeit.
Konvektionskühlung kann als sowohl aktiv (mit Lüfter) als auch passiv erfolgen. Konduktionskühlung ist immer passiv. Die „Heatpipe“ stellt eine Mischform dar, denn in ihrem Inneren transportiert eine Flüssigkeit die Wärme vom „Hotspot“ zu einem Kühlkörper. Im praktischen Sprachgebrauch wird sie dennoch zu „conduction-cooling“ gezählt, da die Flüssigkeit im ­Metallkörper hermetisch abgeriegelt ist und die Heatpipe von außen betrachtet ein Wärmeleiter ist.

Charakteristisch für MicroTCA sind hohe Rechenleistung, Kommunikationsbandbreite und Zuverlässigkeit in einem kleinen Formfaktor bis hinunter zu 1 HE. Ursprünglich für kleinere Telekommunikationsapplikationen ausgelegt, eignet sich Micro-TCA dank der Reduzierung von Größe, Gewicht und Leistungsaufnahme aber auch für High-End-Applikationen in der Wehrtechnik sowie für viele weitere Einsatzgebiete, in denen es auf Kompaktheit und Robustheit ankommt. Für das ursprüngliche Anwendungsfeld in Leitstellen entwickelt, folgen MicroTCA-Boards und -Systeme den Zulassungsbestimmungen des NEBS-Level-3-Standards (Network Equipment Building Systems), der die Erfüllung thermischer Belastungsgrenzen, Brandschutz- und EMV-Be-stimmungen sowie auch den zuverlässigen Betrieb während eines Erdbebens validiert. NEBS-konforme Systeme sind deshalb dazu entwickelt, härtesten Umweltbedingungen wie extremer Hitze, Feuchtigkeit, Einsatzhöhe und Erdbeben der Stärke 7 auf der Richterskala standzuhalten. Plattformen, die dem MicroTCA-Standard folgen, sind zwar generell schon für ein breites Feld von Applikationen interessant, aber insbesondere die neuen Teilspezifikationen für noch robustere Designs machen den Standard zunehmend auch für Entwickler von Applikationen mit extremen Umgebungsbedingungen interessant. Eine Arbeitsgruppe der PICMG widmet sich der Standardisierung besonders robuster Implementierungen von MicroTCA, einschließlich „rugged air-cooled“ und „conduction-cooled“ Varianten (siehe Kasten ), die in den Umgebungsbedingungen, die in der Spezifikation ANSI/VITA 47 definierten sind, zuverlässig funktionieren müssen.

Air-Cooled Rugged MicroTCA - MTCA.1

Die erste dieser besonders robusten Teilspezifikationen, MTCA.1, wurde im Mai 2009 ratifiziert. Die Spezifikation definiert Modifikationen an der MicroTCA-Infrastruktur, die den Einsatz unter extrem widrigen Umgebungsbedingungen im Hinblick auf Temperatur und Temperaturschwankungen, Schocks und Vibrationen sowie eine höhere Luftfeuchtigkeit erlauben. Daraus resultierend eignen sich MTCA.1-konforme Plattformen auch für den Einsatz in Transportwesen, Industrie, Medizin und auch in Telekommunikationsanlagen außerhalb der kontrollierten Umgebungsbedingungen von Kommunikationszentralen. Die erweiterte Robustheit macht MTCA.1 zudem für Wehr- und Luftfahrt-Applikationen interessant, in welchen verkapselte und schockisolierte Systeme gefragt sind.

Härter geht s nicht: MTCA.3

„Hardened conduction-cooled Micro-TCA“ oder MTCA.3, richtet sich an militärische und kommerzielle Applikationen, die luftdicht abgeschlossene Systeme benötigen. Die MTCA.3-Spezifikation, die von der PICMG wohl noch in diesem Jahr ratifiziert wird, definiert hierfür eine Kühlung ohne bewegliche Teile. Die so konduktionsgekühlten AMCs werden auch extremsten Anforderungen in Hinsicht auf Temperaturen, Schocks und Vibrationen gerecht, wie sie in der ANSI/VITA 47 definiert sind. Erreicht wird dies, indem die AMCs in einem Gehäuse mit zwei metallischen Halbschalen mittels Wedge Locks fest im System arretiert werden. Das Gehäuse übernimmt zudem die Wärmeabfuhr zum Chassis.

Typische Applikationen finden sich beispielsweise in militärischen Applikationen, in denen die Systeme fest in mobile Plattformen (z.B. ATR-Chassis) integriert werden oder auch in Telekommunikationsystemen, die außerhalb geschützter Kommunikationszentren verschiedenen widrigen Witterungsbedingungen ausgesetzt sind.