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Entwicklung mit Computermodulen

Leistungsfähige Prozessor-Implantate

Computermodule
© Avnet Integrated

Computermodule bündeln die empfindlichen und hochfrequenten Si­gnale des Prozessors, des Speichers und des Chipsatzes. Mit der achten Generation der Intel-Core-Prozessoren ist jetzt die neueste Intel-Generation auch auf COM-Express-Modulen verfügbar.

Bei der schnellen und kostenoptimierten Entwicklung moderner Industrieprodukte setzt sich das flexible Standardmodulkonzept immer mehr durch. Anstatt ein vollständiges Systemboard zu entwickeln, ist es in vielen Fällen günstiger, ein Computermodul einzusetzen, das Prozessor und Speicher und ggf. noch prozessornahe Peripherie enthält. Die sofort einsetzbaren Computer-on-Modules (CoMs) werden in unterschiedlichen Varianten mit skalierbaren Leistungsdaten angeboten. Über einen gängigen Standardstecker wird das Modul auf ein Carrier Board gesteckt, das alle anwendungsspezifischen Funktionen umfasst. Die leistungsfähigen CoMs sind für den zuverlässigen Betrieb ausgelegt und verfügen bereits standardmäßig über ausgefeilte Sicherheitsfunktionen. Für zahlreiche industrielle Designs ist da­rüber hinaus von zentraler Bedeutung, dass durch einen einfachen Modulaustausch ein Migrationspfad hin zu höherer Performance vordefiniert ist. Dies schafft die Basis für eine hohe Investi­tionssicherheit des Endprodukts.

Die Computermodule sind in unterschiedlichen Bauformen erhältlich, die den etablierten Standards SMARC 2.0, Qseven oder COM Express entsprechen. Für anspruchsvolle Anwendungen, die eine hohe Rechen-, Grafik- und Videoleistung benötigen, setzen Entwickler auf COM Express. Die COM.0 Revision 3.0 der COM-Express-Spezifikation des PICMG-Konsortiums (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) beschreibt vier Modulgrößen sowie die Pinouts Type 6, Type 10 und Type 7. Die Pinouts sind für unterschiedliche Anwendungen ausgelegt und unterscheiden sich vor allem durch die Zahl ihrer PCI-Express-, Ethernet- und Display-Schnittstellen.

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Anwendungsspezifische COM-Express-Varianten

Für grafikintensive Applikationen hat sich Type 6 auf den Modulgrößen Basic und Compact mit 95 × 95 mm2 etabliert, während Type 10 für das Mini-Format 84 × 55 mm2 gedacht ist. Für Applika­tionen mit Bedarf für hohen Datendurchsatz und Verbindbarkeit zu Netzwerken, Massenspeicher bzw. I/O sind Module mit Type-7-Schnittstellen die richtige Wahl. Hier hat sich auf Grund der Anforderungen an Durchsatz und Prozessorleistung der Basic-Formfaktor mit Abmessungen von 95 × 125 mm2 durchgesetzt. Das ebenfalls vorgesehene Extended-Format 110 × 155 mm2 ist wenig verbreitet.

Die gesteigerten Anforderungen zukünftiger Hochleistungsanwendungen können die jetzt vorgestellten COM-Express-Module erfüllen, die auf der Intel-Core-Familie der achten Generation basieren. Typische Applikationen in der Industrie und anderen Märkten sind Geräte, bei denen eine große Menge an Daten anfallen und vom Prozessor verarbeitet werden müssen, z. B in der Medizintechnik, in Diagnosesystemen, in Visualisierungssystemen, bei Analyse- und Messsystemen, in der Spektroskopie, in industrielle Steuerungssystemen, im Industrie-4.0-Umfeld und in Gaming-Systemen. Weitere Anwendungen finden sich in der Videoüberwachung, z.B. Verkehrsüberwachung, Verkehrslenkung und Mautsysteme, für die Übertragungstechnik, Streaming/Broadcasting und Medien-Produktion. Dank der zahlreichen Prozessorkerne ist ein größerer Datendurchsatz möglich, wodurch sich eine deutlich verbesserte Effizienz der innovativen Geräte erzielen lässt.

Die COM-Express-Modulfamilie MSC C6B-CFLH ist mit aktuellen Intel-Core-Prozessoren der achten Generation bestückt.
Bild 1. Die COM-Express-Modulfamilie MSC C6B-CFLH ist mit aktuellen Intel-Core-Prozessoren der achten Generation bestückt.
© Avnet Integrated

Einen wahren Performance-Sprung bietet die COM-Express-Type-6-Modulfamilie MSC C6B-CFLH von Avnet Inte­grated, auf der Prozessoren der Intel-Core-Familie der achten Generation (Codename Coffee Lake H, Bild 1) zum Einsatz kommen. Erstmals sind für den Basic-Formfaktor mit Type-6-Interface Prozessoren erhältlich, die sechs Cores integrieren und damit eine deutlich höhere Rechen- und Grafikleistung bei vergleichbarer Leistungsaufnahme wie die vorherige siebente Generation an Intel-Core-CPUs sicherstellen. Die Prozessoren können je nach Performance-Klasse zwischen vier und zwölf Threads bearbeiten und im Turbo-Boost bis auf 4,4 GHz getaktet werden. Die Thermal Design Power (TDP) beträgt 35 W bzw. 45 W. Es werden bis zu drei unabhängige 4K-UHD-Displays unterstützt.

Die skalierbare Modulfamilie MSC C6B-CFLH ist wahlweise mit Intel Core-i7, Core-i5, Core-i3 oder Xeon-Prozessoren von Intel ausgestattet. Das Flaggschiff integriert den Intel Core i7-8850H mit sechs CPU-Cores und zwölf Threads mit 2,6/4,3 GHz. Vier Prozessorkerne weisen die Baugruppen mit i5-8400H (2,5/4,2 GHz) mit acht Threads und i3-8100H (3,0 GHz) mit vier Threads auf. Ebenfalls mit sechs Kernen kommt das Modul mit Intel Xeon-Prozessor E-2176M mit zwölf Threads, der eine hohe Taktrate von 2,7/4,4 GHz bietet.

Insgesamt können über zwei SO-DIMM-Schächte bis zu 32 GB DDR4-2666 DRAM Arbeitsspeicher in das COM-Express-Modul eingesetzt werden.

15 Jahre verfügbar

Die Module enthalten die Chipsätze QM370 oder C246 von Intel und verfügen mit der UHD630-Graphics über einen leistungsfähigen, integrierten Grafik-Controller. Dieser steuert bis zu drei unabhängige Displays gleichzeitig an, wobei jedes eine Auflösung bis 4K haben kann. An Grafikschnittstellen sind drei DisplayPort-/HDMI-/DVI-Ausgänge sowie wahlweise Embedded DisplayPort (eDP)/LVDS vorhanden. Das Modul verfügt über Hardware-gestütztes Video-Encoding und -Decoding bis zu 4K-Auflösung. DirectX12 wird ebenso unterstützt wie Open CL 2.1 und OpenGL 4.5.

Die maximale Verlustleistung der High-end-Modulfamilie im Basic-Formfaktor mit den Abmessungen 125 × 95 mm2 liegt abhängig vom Betriebsmodus zwischen 35 W und 55 W. Die Prozessor-Boards der oberen Leistungsklasse können im Temperaturbereich von 0 bis 60 °C betrieben werden. Die Module unterstützen alle gängigen
Linux-Betriebssysteme sowie die 64-bit-Versionen von Windows 10 und Windows 10 IoT. Avnet Integrated stellt für seine neuen Module mit Intel-Core-Prozessoren der achten Generation eine Verfügbarkeit von fünfzehn Jahren ab Produkteinführung sicher.

Das Starter-Kit MSC C6-SK-CFLH umfasst ein Baseboard, Speichermodule (SO-DIMM), Kühl­körper und eine passende Stromversorgung.
Bild 2. Das Starter-Kit MSC C6-SK-CFLH umfasst ein Baseboard, Speichermodule (SO-DIMM), Kühl­körper und eine passende Stromversorgung.
© Avnet Integrated

Zur schnellen Entwicklung kompakter High-end-Systeme auf Basis der neuen Modulfamilie stehen ein passendes Baseboard im Mini-ITX Format und ein komplettes Starter Kit zur Verfügung. Damit kann der Anwender die Computermodule auf einer sofort lauffähigen und geprüften Plattform betreiben und testen. Das Starter Kit MSC C6-SK-CFLH umfasst ein Baseboard, Speichermodule, Kühlkörper und eine passende Stromversorgung (Bild 2). Das universell einsetzbare Trägerboard weist einen COM-Express-Sockel für Type 6-Module im Compact- oder Basic-Format auf und verfügt über viele gängige Schnittstellen. Als Grafikausgänge sind DisplayPort, embedded DisplayPort (eDP) und LVDS vorhanden. Zusätzlich bietet das Trägerboard einen PCI Express Mini-Card-Sockel sowie einen SD-Kartenschacht.

Die COM-Express-Modulfamilie MSC C6B-CFLH rundet das obere Ende des Produktportfolios von Avnet Integrated ab. In den meisten Projekten ist jedoch nicht nur die zuverlässige Lieferung der Hardware für die Wahl des geeigneten Modulherstellers entscheidend, sondern auch die Beratung und der Support. Nur wer alle existierenden Formfaktoren unterstützt, ist in der Lage, den Kunden zum passenden Standard zu raten. Darüber hinaus spielt die Flexibilität des Herstellers eine wichtige Rolle, um z. B. spezielle Kundenwünsche zu erfüllen. Die Flexibilität kann von kleinen Modifikationen, z.B. im BIOS über ein Semikunden-Design bis hin zu einer voll kundenspezifischen Lösung reichen.

Eigene Entwicklungskapazitäten

Die modernen Embedded-Module werden in hochautomatisierten MSC-Produktionsstätten in Stutensee gefertigt.
Bild 3. Die modernen Embedded-Module werden in hochautomatisierten MSC-Produktionsstätten in Stutensee gefertigt.
© Avnet Integrated

Avnet Integrated hat in seinen MSC-Design-Centern in Deutschland ein fundiertes technisches Wissen zur Entwicklung von standardisierten und kundenspezifischen Embedded-Modulen aufgebaut. Über 120 Entwicklungsingenieure mit langjähriger Erfahrung arbeiten in den Design-Centern in Neufahrn bei München, Aachen, Stutensee und Freiburg an Standardprodukten und anwendungsoptimierten Projekten. Design for Manufacturability (DFM), Design for Test (DFT) und Design to Cost (DTC) stehen an erster Stelle. Hochmoderne Design Tools und eine umfangreiche Datenbasis an Building Blocks garantieren kurze Entwicklungszeiten.

Die Computermodule von Avnet Integrated werden in hochautomatisierten MSC-Produktionsstätten in Stutensee gefertigt (Bild 3). Außerdem betreibt Avnet Integrated in Freiburg Fertigungsstätten für Systemprodukte und Displays. Die Kombination aus Entwicklungs- und Fertigungskompetenz erlaubt das nahtlose Ineinandergreifen einzelner Produktphasen aus einer Hand. Der Schlüssel der optimierten Serienproduktion ist der hohe Automatisierungsgrad und der Einsatz flexibler Maschinen. Durch die Investitionen in modernste Fertigungstechnologien und -anlagen in den letzten Jahren konnte die Effizienz und Produktivität gesteigert werden. Für viele Kunden ist die Nähe zur Modulfertigung ein wichtiges Kriterium, das ein Gefühl der Sicherheit, einen schnellen Zugriff auf Herstellungsprozesse und eine hohe Flexibilität sicherstellt.

Der Autor

Dipl.-Ing. Christian Engels | Avnet Integrated/MSC
Dipl.-Ing. Christian Engels | Avnet Integrated/MSC
© Avnet Integrated

Dipl.-Ing. Christian Engels
ist als Produktmanager bei Avnet Integrated/MSC tätig. Sein Produktportfolio umfasst Computer-on-Modules mit verschiedenen Prozessor- Archi­tekturen und Industriestandards. Mit seiner über 25jährigen Tätigkeit in der Industrie und Telekommunikations-Branche verfügt er über umfassende Erfahrung in verschiedenen Betätigungsfeldern wie Bidmanagement, Produktmanagement und -entwicklung. Zudem ist er in verschiedenen Standardisierungsgremien engagiert.


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