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System-on-Modules

Starke Prozessoren für Embedded-Systeme

17. Juni 2020, 12:07 Uhr   |  Von Holger Wußmann

Starke Prozessoren für Embedded-Systeme
© Pixabay

Entwickler von Embedded-Systemen sind mehr denn je auf Standards und vorgefertigte Module angewiesen. Viel Zeit zum Entwickeln ist meist nicht. System-on-Modules leisten hierbei einen wichtigen Beitrag.

Mit der voranschreitenden Digitalisierung und der Zunahme von IoT-Anwendungen steigt ebenfalls die Bedeutung von System-on-Modules (SoMs). Die kostengünstigen Embedded-Computing-Bausteine bilden die Grundlage für individuelle Board- und Anwendungsentwicklungen, vor allem im Bereich der Human Machine Interfaces (HMIs), genauso wie in den Bereichen Automatisierung und Robotik, Medizintechnik, POS/POI und IoT. Dem Bedarf an einer weiteren Miniaturisierung und Leistungssteigerung steht der Wunsch nach optimierten Kosten und einer einfachen Fertigung gegenüber. Vor diesem Hintergrund haben mehrere Hersteller, darunter Kontron, im Rahmen der Standardization Group for Embedded Technologies (SGET) einen neuen Standard für gelötete System-on-Modules entwickelt.

Das Ziel des »Open Standard Module« (OSM) ist, die heutige Vielfalt an herstellerspezifischen Modulen hinsichtlich Baugrößen, Pin-Belegung, Schnittstellen, Kühlung sowie Verlustleistung zu normieren. Hierzu sieht der OSM-Standard vier aufeinander aufbauende Modulformate zum Skalieren von Funktion und I/Os vor – die Abmessungen umfassen 15 x 30, 30 x 30, 45 x 30 und 45 x 45 mm. OSM ermöglicht das Entwickeln und Herstellen von System-on-Modules für die gängigsten Prozessorarchitekturen wie MCU32, Arm und x86.

Der OSM-Standard ist für direkt auflötbare Module ohne Steckverbindungen ausgelegt, die sich vollständig maschinell fertigen lassen. Gegenüber den standardisierten Computer-on-Modules (CoMs), die häufig einen gewissen mechanischen und manuellen Aufwand erfordern, lassen sich mit OSM sowohl das Handling, als auch das Bestücken und Testen optimieren.

Open Standard Module

Im Oktober 2019 haben Kontron, iesy und F&E Electronic Systems die Standardisierungsgruppe SDT.05 gegründet, um einen neuen Formfaktor für Auflötmodule zu definieren. Inzwischen sind 13 weitere Unternehmen an der Entwicklung des OSM-Standards beteiligt. Mit dem Release Candidate 1.2 wurden bereits im Februar 2020 Grundlagen für erste Produkt-Designs vorgestellt. Voraussichtlich in diesem Jahr wird der Standard von der Standardization Group for Embedded Technologies (SGET) final verabschiedet.

Leistungsstarker, kompakter Modulbaustein

Bei einem SoM handelt es sich in der Regel um einen kleinen, jedoch vollwertigen Industrierechner. Er integriert die relevanten Funktionseinheiten wie Mikroprozessor, Arbeitsspeicher (RAM und Flash) und Stromversorgung, teilweise sogar mit weiterem Funktionsumfang, auf einer kompakten Leiterplatte. Die physikalischen Konnektoren, über die der Anwender Peripheriegeräte anschließen kann, werden auf einem Träger-Board untergebracht. Das Kapseln der Kernfunktionen auf dem System-on-Module ermöglicht eine hohe Leistungsfähigkeit bei kompakten Abmessungen sowie günstiger Fertigung.

Ein SoM wird üblicherweise auf die Trägerplatine aufgelötet oder gesteckt. System-on-Modules von Kontron werden aufgelötet, womit die Stecker auf dem Modul und dem darunter liegenden Baseboard wegfallen. Entsprechende Kommunikationsschnittstellen sind über Kontakt-Pads an der Unterseite des Moduls angeschlossen.

Ein Vorteil von System-on-Modules ist die reduzierte Komplexität beim Lagenaufbau des Baseboards. Das schlägt sich in den Entwicklungs- und Stückkosten nieder. Von dem Kostenvorteil profitieren Anwender vor allem bei einer relativ großen Differenz in den Größen von SoM-Leiterplatte und Träger-Board. Ein SoM hat in der Regel eine 8- oder 10-lagige Leiterplatte in einer kleinen Größe. Sie lässt sich wiederum auf ein größeres, deutlich einfacheres und somit günstigeres Träger-Board mit einer geringeren Lagenzahl setzen.

Vorteile von System-on-Modules
  • Einfaches, günstiges Entwickeln von Embedded-Anwendungen mit individuellen Board-Designs
  • Anwendungen in Industrie, Automation, Medizintechnik, POS/POI, IoT und Industrie 4.0
  • Skalierbare Modulbauweise oder Baukastenprinzip
  • Minimiertes Design-Risiko und verkürzte Time-to-Market
  • Vollständig betriebsbereit mit Linux oder Microsoft Windows 10 IoT Core

Kürzere Entwicklungszeiten

Mithilfe von System-on-Modules mit leistungsstarken, neuen Prozessoren auf kleinem Raum ist es möglich, neue Produktgenerationen schneller in den Markt zu bringen. Sie vereinfachen das Entwickeln komplexer, kundenspezifischer Board-Architekturen und bilden so die Grundlage für individuelle Board-Designs.

Einer Eigenentwicklung eines kompletten Embedded Boards mit integrierter CPU steht in der Regel die hohe Komplexität verbunden mit den entsprechend langen Entwicklungszeiten entgegen. Bei Kontron erhält der Kunde ein fertig entwickeltes, vollständig betriebsbereites System-on-Module. Anspruchsvolle Design- und Layout-Aufgaben sind bereits gelöst, beispielsweise das Pin-Multiplexing oder das komplexe Routing beim Anschluss von DDR3 oder DDR4 RAMs.

Der Kunde kann auf eine erprobte Komponente zurückgreifen, die in jeglicher Hinsicht optimiert ist. Somit lässt sich das Entwicklungsrisiko minimieren und die Produkteinführungszeit deutlich beschleunigen. Kontron übernimmt neben der Entwicklungsverantwortung ebenso die Produktpflege. Wird beispielsweise ein Speicherbaustein abgekündigt, ersetzt Kontron ihn automatisch. Die Langzeitverfügbarkeit der Module beträgt in der Regel zehn Jahre.

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1. Starke Prozessoren für Embedded-Systeme
2. Baseboards entwickeln

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