CoM-Geflüster

Die 3. Generation kreditkartengroßer Module kommt

14. November 2022, 7:00 Uhr | Von Zeljko Loncaric
COM-HPC-Client-Module
Die dritte Generation der Kreditkartenmodule kommt: Trotz ihrer geringen Größe von 95 mm x 60 mm bieten COM-HPC-Client-Module im Mini-Format einen umfassenden Satz an Schnittstellen.
© Congatec

Mit dem Formfaktor COM-HPC-Mini beginnt eine neue Ära für Embedded-Computing-Designs auf Basis kreditkartengroßer Computer-on-Modules. Entwicklern soll die dritte Generation einen großen Performance-Boost und noch mehr Schnittstellen bieten als je zuvor.

Ein Blick auf die Entwicklung der kreditkartengroßen Computer-on-Modules (CoMs) zeigt, dass der Markt weitere Varianten hervorbringen könnte. Nachdem der DIMM-PC als erste Generation standardisierter Module durch COM Express Mini ersetzt wurde, kamen etwas später die Standards Qseven und SMARC auf den Markt. Die beiden Alternativen zu COM Express Mini entstanden, um Kosten beim Konnektor zu sparen. Für niedrigpreisige Designs mit Low-Power-Prozessoren, die eine Leistungsaufnahme von wenigen Watt haben, erschien das wichtig. Zudem wollte man Arm-Prozessoren bedienen, was mit COM Express nicht möglich ist. COM-HPC Mini zielt demgegenüber jedoch auf den High-Performance-Bereich der kreditkartengroßen CoMs und dürfte deshalb in dem Segment alternativlos sein.

COM-HPC Mini ist zudem eine Alternative für größere COM-Express-Compact-Applikationen mit der Größe von 95 mm x 95 mm sowie COM Express Basic mit 95 mm x 125 mm – diese können Entwickler ab sofort in Richtung Kreditkartenmodule migrieren. Vor allem im volumenstarken Low- bis Mid-End-Segment des Formfaktors – sofern der Prozessor passt.

Mit COM-HPC Mini bieten solche Designs große Platzeinsparungspoten­ziale ohne Performance- und nahezu ohne Schnittstellenverluste. COM-HPC Mini kann in dem Segment den Minia­turisierungstrend maßgeblich beschleunigen. Ein Blick auf die Historie der kreditkartengroßen CoMs zeigt, wie immens die Performance und Schnittstellendichte zugenommen hat.

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Little Donkey
Der im Jahr 2000 vorgestellte DIMM-PC »Little Donkey« führte erstmals auch Grafik aus und wurde damals als der kleinste IPC der Welt gefeiert.
© SAMS Network

DIMM-PCs als Vorreiter für Computermodule

Einer der Pioniere im Markt der CoMs war Hans Mühlbauer, der lange Zeit am Geschehen des Computer-on-Modules-Spezialisten Congatec beteiligt war. Er stellte bereits Anfang der 1990er-Jahre mit seiner damaligen Firma Jumptec die ersten Module auf Basis des damals gängigen »AT/ISA96«-Busses vor. Sie waren mit 9,54 MHz Intel CPUs »80C88« bestückt, boten 640 kB DRAM-Speicher und stellten auf dem 100 mm x 160 mm großen Formfaktor einen Edge-Card-Konnektor mit 120 Signal- und Powerleitungen bereit. Mühlbauer war derjenige, der um die Jahrtausendwende die DIMM-PC-Modulspezifikation entwickelte, die mit 68 mm x 40 mm in etwa scheckkartengroß war und dessen Edge-Card-Konnektor 144 Pins bot. DIMM-PCs waren somit deutlich kleiner als die ersten »ModulAT« CoMs. Gleichzeitig boten sie mehr Schnittstellen – trotz kleineren Footprints.

Mit den DIMM-PCs begann also die erste Ära der kreditkartengroßen CoMs. Der Formfaktor ließ sich sehr gut vermarkten: Im Jahr 2000 wurde beispielsweise eine Variante der Spezifikation als der bis dato weltweit kleinste Industrie-PC gefeiert. Zwar war das »Little Donkey« genannte Modul etwas größer, als es die DIMM-PC-Spezifikation mit 68 mm x 55 mm zugelassen hat. Aus dem Grund konnte das kleine Arbeitstier damals sogar Grafik implementieren – also erstmals alle Funktionen bieten, die man für einen Industrie-PC benötigte. Frühere DIMM-PCs hatten noch keine Grafik.

Klein und energiesparend soll es sein

Zum Einsatz kam ein mit 100 MHz getakteter »STPC x86«. Adressiert
wurden vor allem Kleingeräte, die zum Beispiel zur mobilen Datenerfassung in Bahn- und Zugtechnik oder in Bedienterminals zur Anwesenheits- und Zutrittskontrolle zum Einsatz kamen. Auch für den Einsatz in Verkaufsautomaten und Kiosksystemen wurden sie empfohlen. In einer Internetserver-Auslegung wollte man damals schon den Zugriff auf dezentrale Prozesse für Fernvisualisierung, -wartung, -kon­trolle und -steuerung umsetzen. Von IoT, Industrie 4.0 und 5G war damals im Prinzip also schon die Rede, nur gab es die entsprechenden Buzzwords noch nicht. Alles was also klein,  energiesparend und mobil sein sollte, konnten Entwickler mit den Modulen angehen.

Jedoch waren die Performance und Anzahl der Schnittstellen bei DIMM-PCs deutlich von dem entfernt, was die Embedded-Welt heute bietet. Es gab 32 MB DRAM und 512 kB 8-Bit Flash BIOS. An Board waren ISA- und PCI-Bus, wobei letzterer als modern bezeichnet wurde. Als Speichermedien kamen noch IDE-Festplatten und Floppy-Laufwerke zum Einsatz. Ein paralleles Line Printing Terminal (LPT) sowie zwei serielle Schnittstellen gab es zudem, neben PS/2-Maus und PC/AT-Tastatur. Mit einigen weiteren I/O-Schnittstellen war der 144-polige DIMM-PC-Konnektor aufgrund der
vielen parallelen Schnittstellen bereits voll ausgelastet. Als Konnektor wurde er damals – nomen est omen – für SO-DIMM-Speichermodule genutzt und im Jahr 1999 spezifiziert. Jedoch musste die Grafik über einen weiteren Konnektor ausgeführt werden.

µQseven bis COM-HPC Mini
Von µQseven bis COM-HPC Mini steigen sowohl die Anzahl der Pins als auch die Größe. In etwa gleichen alle jedoch der Größe einer Scheckkarte (85,6 mm x 53,98 mm).
© Congatec

Computer-on-Modules starten seit 2000 durch

CoMs haben sich im Laufe der darauffolgenden Jahre zum wichtigsten Designprinzip für Embedded-Computer-Systeme entwickelt. Das gilt vor allem für die Mid- und High-End-Performance-Klasse der Spezifikationen wie ETX, COM Express und COM-HPC, genauso für kreditkartengroße Module. Studien, wie die von IHS Markit, schätzen, dass CoMs im Jahr 2020 rund 38 Prozent des Gesamtumsatzes bei Embedded Computing Boards, Modulen und Systemen ausmachten. Eines der wichtigsten Argumente für den Einsatz von Modulen war es, nicht alle Funktionen auf einer monolithischen Baugruppe unterzubringen, um die schnellen Innovationszyklen der CPUs abfedern zu können. Zu der Zeit brachten Intel und AMD alle sechs Monate neue CPUs auf den Markt.

Unternehmen mussten also die industriell geforderte Langzeitverfügbarkeit über Module gewährleisten, da nicht sicher war, wie lange die älteren CPUs verfügbar sind. Interessant ist die Skalierbarkeit selbstverständlich ebenso, um mehrere Performance-Varianten zu bilden. Sehr wichtig istudem das Argument, das I/O-Board-Design weniger komplex zu gestalten. In der Regel benötigt man für die I/Os deutlich weniger Layer, was die Kosten des PCB-Designs senkt. Auch die Reduktion der Leistungsaufnahme und der Abwärme mit jedem neuen Modul spielte bereits eine Rolle. Letztlich wollen die Kunden damals wie heute immer die aktuelle CPU. So lässt sich ebenfalls dieser Vorteil mit Modulen einfach abdecken.

Module bekämpfen den Kabelsalat

Die ersten Module kamen zu einer Zeit auf den Markt, als die x86-Technologie noch in den Kinderschuhen steckte. So mussten sich x86 und Windows erst noch in der Industrie etablieren und man kämpfte gegen den Bluescreen. Insofern sind die Module eher als erste »Pirate«-Produkte einer neuen Start-up-Branche zu verstehen, denn als eigener Produktlebenszyklus einer ganzen Generation eines etablierten Modulstandards.

Jumptec war jedoch das Unternehmen, das bereits zu der Zeit die Spezifikation offenlegte und somit die erforderliche Pionierarbeit für das globale Modul-Business leistete. Und das mit Erfolg, schaut man sich die weitere Entwicklung bis heute an. Ein
stichhaltiges Argument für Module lieferte ebenfalls der Single Board Computer (SBC)-Formfaktor PC/104. Er bot zu wenig Platz für Konnektoren, solange Entwickler sie auf derselben Seite bestückten, an der ebenso die CPU und der Chipsatz gelötet wurde. Kundenwünsche für mehr Konnekti­vität wurden laut, sodass Entwickler die Konnektoren kundenspezifisch ebenfalls auf der anderen Seite des PCBs montierten, um noch mehr Pe­ripherie anbinden zu können.

Das Designprinzip von PC/104 führte damals zudem dazu, dass die I/Os über Kabel zum Gehäuse geführt werden mussten. Hierdurch entwickelte sich ein zunehmender Kabelsalat mit entsprechender Fehleranfälligkeit in den Systemen. Ein gutes Systemdesign zeichnete sich damals also über eine saubere, aufgeräumte Kabelführung aus. Ein wichtiges Argument für das Modulkonzept war es deshalb, diese »Kabelei« einzudämmen und über ein applikationsspezifisches Carrierboard die externen I/Os ohne Kabel an das Gehäuse anzubinden. Die Argumente gelten für alle Modulstandards, ganz gleich welcher Performance-Klasse. Somit ebenfalls für kreditkartengroße Module.

Modulvergleich
Der direkte Vergleich von COM-HPC Mini zu COM Express Mini und dem größeren COM-HPC Size A.
© Congatec

Harter Kampf um das beste Modulkonzept

Leicht hatte es der DIMM-PC-Formfaktor für die ISA/PCI-basierten Kreditkartenmodule nicht. Jedoch lagen die Gründe nicht darin, dass zu viele Alternativen entwickelt wurden, wie es im Mid- und High-Performance-Bereich der Module der Fall war. In dem Bereich konkurrierten damals mehrere Modulkonzepte, bis sich schlussendlich ETX durchsetzte. Vielmehr lag die Herausforderung bei kreditkartengroßen Modulen in der Größe, die auf neue x86-Prozessoren und Chipsätze nicht mehr anwendbar war. Der 2003 vorgestellte Pentium M – damals eine Revolution für den Embedded-Markt – passte einfach nicht auf eine Kreditkarte. Aus dem Grund konnten Entwickler immer nur die energiesparenden Prozessoren auf DIMM-PCs einsetzen. Beispielsweise den 568er »ZFx86« von ZF Micro Devices, der mit 128 MHz getaktet war, oder den »STPC Elite« von STMicroelectronics.

COM Express Mini

Das flächendeckende Implementieren des neuen PCI-Express-Busses und der Entfall des ISA-Supports aufgrund der neuen Prozessoren und Chipsätze, verlangte allerdings bald nach einer neuen Modulspezifikation. Sie wurde 2005 vom Standardisierungsgremium PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) offiziell verabschiedet: COM Express. Von der ersten Vorstellung des Konzepts zusammen mit Intel im Herbst 2003 hat die Standardisierung gut anderthalb Jahre gedauert. Ab der Revision 2.0 im Jahr 2010 bis hin zur aktuellen Revision 3.0 wurde die Spezifikation unter der Federführung des Draft Editors Christian Eder kontinuierlich weiterentwickelt. Eder arbeitete schon damals unter Mühlbauer bei Jumptec, später bei Kontron und Congatec. Neben dem sehr erfolgreichen COM-Express-Basic- (125 mm x 95 mm) und COM-Express-Compact-Format (95 mm x 95 mm), wurde mit COM Express Mini (84 mm x 55 mm) zudem ein Formfaktor für Kreditkartenmodule spezifiziert. Erstmals gab es eine Spezifikation für alle gängigen Größen. Das einheitliche Ökosystem führte dazu, dass Automatisierungsanbieter ihre Hutschienen-PCs und kompakten Steuerungen, bei denen Platz rar ist, gerne auf Basis der Spe­zifikation entwickelten. So mussten sie für alle Produkte im Portfolio lediglich einen Standard verwenden – mit den hiermit einhergehenden Vorteilen einheitlicher Design-Guides und Komponenten.

Fahrt aufgenommen haben COM-Express-Mini-Module mit dem Launch der ersten Intel-Atom-Prozessoren 2008, die erstmals einen All-in-one System Controller Hub boten – also die North- und Southbridge vereinten. So passten sie hervorragend auf COM Express Mini und noch heute – also 17 Jahre nach dem PICMG-Launch – sind sie die dominanten Prozessoren in der Größe, wenngleich es ebenso An­­bieter mit AMD-Ryzen- oder Intel-Core-Prozessoren der 8. Generation gibt. Bei Congatec reicht das Portfolio der heute verfügbaren Module beispielsweise von der dritten Atom-Generation über die vierte und fünfte bis hin zu den aktuellen Atom-x6000-E-Series-Prozessoren sowie Celeron-, Pentium-N- und J-Prozessoren (Codename Elkhart Lake).

COM-HPC-Mini-Module
Erste potenzielle COM-HPC-Mini-Module mit Intel-Atom-Prozessor sowie passende Carrierboards sind bereits in der Entwicklung.
© Congatec

SMARC-Module überholen COM Express Mini

Neben COM Express Mini wurden jedoch ebenfalls die Spezifikationen SMARC (82 mm x 50 mm) und µQseven (70 mm x 40 mm) entwickelt. Sie werden bei dem im Jahr 2012 gegründeten zweiten Standardisierungsgremium für Embedded-Computer-Technologie, der Standardization Group for Embedded Technologies (SGET), als herstellerunabhängige Standards gehostet. Auslöser für die Entwicklung der Spezifikationen waren zwei Gründe: Zum einen, die neben der x86-Technologie zunehmend zum Einsatz kommenden Arm-Prozessoren zu integrieren, was mit COM Express Mini nicht möglich war. Zum anderen wollte man Kosten senken, da für COM Express nicht nur der Carrier, sondern ebenfalls das Modul selbst einen Konnektor hosten muss. Bei SMARC und µQseven braucht es jedoch lediglich einen Edge-Card-Konnektor. Zum Einsatz kommt bei beiden Standards der für MXM-Grafikkarten entwickelte Konnektor, bekannt von Notebooks. Insofern schreibt sich das Designprinzip von DIMM-PC fort,  Konnektorstandards aus dem IT-Bereich abzuleiten.

Am erfolgreichsten durchgesetzt hat sich – bei Aufbau des Scheckkartenformats – SMARC mit seinen 314 Pins. Im Vergleich dazu hat µQseven lediglich 230 Pins. So könnte die Anzahl der Pins ein Grund sein, weshalb SMARC den Markt der Scheckkartenmodule beherrscht und sogar im Vergleich zu COM Express Mini weiter verbreitet ist. Das, obwohl COM Express in der Summe mit all seinen unterschiedlichen Größen und Pinouts für Client- und Servermodule der dominante Formfaktor ist. Sicherlich bedient SMARC eine breitere Palette an Prozessoren als COM Express Mini. Insofern lässt sich – bezogen auf Intel- und AMD-Prozessortechnik – aus allgemein verfügbaren Studiendaten nicht herauslesen, welcher Standard letztendlich führend ist. Festzuhalten bleibt, dass SMARC 43 Prozent mehr Pins gegenüber COM Express Mini und 37 Prozent mehr gegenüber µQseven bietet. Gleichwohl ist µQseven nicht auf dem absteigenden Ast. Vielmehr wird dem größeren Bruder Qseven zwischen 2022 und 2026 das größte Wachstum prognostiziert, was ebenso auf µQseven abfärbt. Offensichtlich ist das Low-End-Segment mit weniger Funktionen aufgrund des IoT-Trends ebenfalls prosperierend.

Konstant ist lediglich die Veränderung

Stetig ist jedoch auch bei Modulen der Wandel aufgrund des technischen Fortschritts. Aus dem Grund hat mit der Vorstellung von COM-HPC Mini auf der embedded world 2022 die Ära der dritten Generation scheckkartengroßer Computer-on-Modules begonnen. So zielt die neue Spezifikation da­rauf ab, Applikationen im Miniformat zu ermöglichen, die Performance-seitig weit oberhalb der aktuellen COM-Express-Mini-Klasse liegen. Beim Ent­wickeln der neuen Standards im Scheckkartenformat war die PICMG Workgroup für COM-HPC zwar etwas zurückhaltend, hatte sie doch zuallererst die neuen High-End-Server- und Client-Module im Fokus. Jedoch fragten sich mit dem Launch von COM-HPC ebenfalls COM-Express-Mini-Anwender, ob es für sie nicht ebenfalls eine nächste Generation an Modulen geben könnte. Solche Anfragen kommen nicht nur von COM-Express-Mini-Anwendern, sondern ebenfalls aus der COM-Express-Compact-Fraktion – weil sich so die Miniaturisierung bestehender Systeme umsetzen lässt.

COM-HPC-Ökosystem
Das COM-HPC-Ökosystem beschreibt in der Summe die dritte Generation aller CoMs und stellt in jeder seiner Formfaktoren das aktuelle High End bereit, für die es bei anderen Standards derzeit keine Alternativen gibt.
© Congatec

Das bietet COM-HPC Mini

COM-HPC Mini soll technisch viele Schnittstellen bieten, die COM Express nicht mehr abdeckt, wie USB 3.2 mit 20 Gbit/s, USB 4.0 mit 40 Gbit/s, PCIe Gen4/5 mit bis zu 16 Lanes, NVMe und vieles mehr. Essenziell ist bei der
Spezifikation der neue Konnektor. COM Express ist bislang auf PCIe Gen 3.0 mit 5,0 GHz Taktrate und 8 Gbit/s beschränkt. COM-HPC Mini unterstützt Übertragungsraten von mehr als 32 Gbit/s, was bis hin zu PCIe Gen 5.0 oder sogar Gen 6.0 reicht. Zudem brauchen Entwickler für die neuen Prozessorgenerationen für das Edge Computing mehr Interconnects als bisher. 400 Pins zum Carrierboard wird COM-HPC Mini deshalb bieten. Gegenüber COM Express Mini sind das satte 81 Prozent mehr. Gegenüber SMARC immerhin noch ein Plus von 27 Prozent. Gegenüber COM Express Basic oder Compact, die beide jeweils 440 Pins haben, stehen 90 Prozent der Kapazität von vollwertigen Client-Modulen mit Typ 6 oder Headless-Edge-Server-Modulen (Typ 7) bereit. Wer nicht alles braucht, kann folglich wechseln.

Entwickler bestehender Systemdesigns auf Basis all dieser Formfaktoren müssen
mit dem COM-HPC-Mini-Konzept entscheiden, ob sie bei der nächsten Generation ihrer Systeme auf den neuen Formfaktor wechseln wollen. COM-HPC Mini ist jedoch nicht als Ablöse für COM Express Mini oder SMARC zu verstehen, denn auch COM Express löste nicht ETX ab und COM-HPC wird nicht COM Express ablösen. Es ist vielmehr Usus, bestehende Designs noch lange weiter zu unterstützen. So gibt es sogar heute noch ETX/XTX-Module, mit denen Kunden weiter auf Basis der damaligen Designgrundlagen arbeiten. Insofern ist der kommende COM-HPC-Mini-Modulstandard der Beweis, dass die Grundideen, die damals gegolten haben, ebenfalls heute noch gelten – lediglich auf einem anderen Performance-Niveau. Zudem sind die Aufgabenstellungen beim Design-in neuer Prozessoren heute viel komplexer, weshalb es noch viel mehr Sinn macht, die I/Os über ein applikationsspezifisches Carrierboard vom Prozessormodul abzukoppeln, anstatt alle Bauteile auf ein einziges PCB zu integrieren.

COM-HPC-Mini-Module werden verfügbar

Entwicklungsabteilungen wie die von Congatec arbeiten bereits auf Hochtouren, um die Details der Spezifikation in der PICMG Workgroup festzulegen. Zudem arbeiten sie an ersten COM-HPC-Mini-Designstudien auf Basis aktueller Prozessortechnik, die sie über Early-Access-Programme von den Halbleiterherstellern wie Intel bekommen. Erste COM-HPC-Mini-Module von Congatec könnten bereits im ersten Halbjahr 2023 zu sehen sein. Es ist deshalb jetzt an der Zeit, COM-HPC Mini bei der Initiierung neuer Designs zu evaluieren.

Entwickler müssen hierbei nicht unsicher werden, ob denn eine neue Generation SMARC ebenfalls kommt. Aktuell gibt es keinen Edge-Card-Konnektor, der ebenfalls 400 Pins bietet und entsprechenden Durchsatz zulässt. Allenfalls Open Standard Module (OSM), der auflötbare Module spezifiziert und somit kaum mit steckbaren Modulen zu vergleichen ist, könnte theoretisch eine Alternative sein. OSM Size-M (Medium) bietet 476 Kontakte auf 30 mm x 45 mm und Size-L (Large) ist 45 mm x 45 mm groß und besticht durch 662 BGA-Kontakte. Leistungsfähige Prozessoren sind jedoch zu groß für das Format. So geht noch einige Zeit ins Land, bis solche Applikationen in der Atom-Prozessorklasse spruchreif sind. Im Grunde führt an COM-HPC Mini kein Weg vorbei. Für Entwickler bedeutet das vor allem größtmögliche Designsicherheit.

Der Autor

Zeljko Loncaric, Congatec
Zeljko Loncaric ist Marketing Engineer bei Congatec.
© Congatec

Zeljko Loncaric ist Marketing Engineer bei Congatec in Deggendorf. Vor seinem Eintritt bei Congatec Mitte 2010 war er in verschiedenen Positionen bei internationalen Unternehmen in den Bereichen Produktmanagement, Marketing und Sales Marketing
in Deutschland und Australien tätig. Loncaric, der einen MBA in Betriebswirtschaftslehre und einen Abschluss in Medientechnik von der Universität Deggendorf hat, ist ebenfalls Elektroniker mit Bosch-Ausbildung.

Computer-on-Module-Standards im Wandel
Von ModulAT bis COM-HPC: Der Zeitstrahl veranschaulicht Computermodul-Standards im Wandel der Zeit.
© Congatec

Computer-on-Module-Standards im Wandel der Zeit

Neben dem Markt der kreditkartengroßen Computer-on-Modules gibt es noch den Markt der Mid- und High-Performance-Computermodule. Mit ETX und dem daraus entstandenen COM Express haben sich zwei von unabhängigen Gremien standardisierte CoM-Standards im Zuge des technischen Fortschritts etabliert und ebenfalls immer mehr Performance auf deutlich höherem Niveau bereitgestellt. Mit COM-HPC wurde eine dritte Generation im Jahr 2019 ins Leben gerufen, um die hohen Performance-Ansprüche von Breitband- und 5G-angebundenen Geräten, Maschinen und Anlagen zu bedienen. Sie bietet wie COM Express sowohl Server- als auch Client-Module. Die Kreditkartengröße rundet das Angebot beider Spezifikationen ab. Über die Historie der Mid- und High-Performance der ETX-, COM-Express und COM-HPC-Standards wurde bereits in Elektronik-Ausgabe 14/2019, Seite 32-36 berichtet.


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