Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2012 №9

Мир «компьютеров-на-модуле»: инновации без границ и свобода интеллекта

Ковалев Александр  
Руденко Сергей  

Ключевыми факторами, определяющими нынешний успех «компьютеров-на-модуле» и возможности его развития в обозримом будущем, считают увеличение вычислительной производительности «компьютеров-на-модуле», снижение энергопотребления систем на их основе, тотальный отказ от одноядерных процессоров в пользу многоядерных, появление новых малогабаритных форм-факторов, а также расширение отраслевой экосистемы поставок и поддержки вокруг «компьютеров-на-модуле».
Речь в статье пойдет о современных средствах, которые могут использоваться в составе этих решений.

Введение

Растущую популярность «компьютеров-на-модуле» (Computer-On-Module) на рынке встраиваемых компьютерных систем обычно связывают с теми многочисленными передовыми технологическими решениями и идеями, которые на протяжении последних десяти с лишним лет претворялись в жизнь лидерами этого направления. Достойно продолжая эти традиции, «компьютеры-на-модуле», позволяют в полной мере использовать потенциал новейших высокопроизводительных и энергоэффективных процессоров для ускоренного создания конкурентоспособных систем для разнообразных сфер применения.

Представляя собой уже достаточно широко распространенный подход к проектированию встраиваемых систем, методология «компьютеров-на-модуле» хорошо изучена разработчиками. К настоящему времени в России и за рубежом накоплен немалый опыт ее применения. В качестве главной движущей силы индустрии «компьютеров-на-модуле», как правило, называют открытый международный стандарт COM Express. Первая версия базовой спецификации этого стандарта, носящей наименование COM.0, была утверждена консорциумом PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) в середине 2005 года. По мнению многих специалистов, продукты стандарта COM Express практически с тех самых пор и задают тон в индустрии «компьютеров-на-модуле», воплощая в себе наиболее передовые технологические достижения и превосходя прочие варианты реализации «компьютеров-на-модуле» по темпам роста объемов продаж.

Наличие открытого отраслевого стандарта подразумевает, прежде всего, широкий выбор доступных на рынке продуктов различных производителей, совместимых между собой. В свою очередь совершенствование и доработка стандартных спецификаций обеспечивают необходимую поддержку для реализации инновационных идей. Как уже не раз отмечалось, методология ускоренного проектирования с помощью «компьютеров-на-модуле» позволяет использовать прогрессивные вычислительные и коммуникационные технологии: на их основе можно создавать компактные и надежные встраиваемые решения для различных сфер применения, включая оборудование для промышленности, сложную медицинскую технику, цифровые системы оповещения и рекламы (рис. 1), игровые автоматы, разнообразные портативные и мобильные устройства, а также любые другие приложения, где требуются модульность, гибкость и быстрое завершение цикла разработки.

Образец встраиваемого решения COM Express

Рис. 1. Образец встраиваемого решения COM Express компании Kontron для цифровых систем оповещения и рекламы

Еще одной заметной тенденцией, характерной для рынка встраиваемых решений на основе «компьютеров-на-модуле» в настоящее время, является расширение и совершенствование их интеллектуальных функций. Вкупе с широкой поддержкой современных коммуникационных интерфейсов это позволяет разработчикам решать значительно более сложные задачи, чем прежде. Более того, опираясь на характеристики нынешних встраиваемых процессоров и планы их разработчиков (например, Intel), можно проследить маршрут дальнейшего продвижения технологии «компьютеров-на-модуле» в направлении роста интеллектуального потенциала систем на ее основе, что должно, в частности, привести к их экспансии на рынке решений типа M2M (Machine-To-Machine), воплощающих концепцию «Интернета вещей» (Internet of Things).

В соответствии с прогнозом аналитического агентства VDC Research, обнародованным в конце прошлого года, мировой рынок «компьютеров-на-модуле» в этом году должен составить почти $575 млн, а к 2015 году увеличиться до $883 млн. С учетом поставок серийно выпускаемых готовых плат-носителей общий объем рынка COM-продуктов в 2012 году превысит $668 млн, а к 2015 году вырастет более чем в 1,6 раза — почти до $1,1 млрд (рис. 2). При этом, как отмечают аналитики, технология «компьютеров-на-модуле» в последние годы развивается успешнее аналогичных решений (таких, например, как одноплатные и стековые системы стандарта PC/104, пользовавшиеся в свое время расположением значительной части разработчиков).

Мировой рынок модулей COM в 2010–2015 гг.

Рис. 2. Мировой рынок модулей COM в 2010–2015 гг. (млн $)

Ключевыми факторами, определяющими нынешний успех «компьютеров-на-модуле» и возможности его развития в обозримом будущем, аналитики VDC считают увеличение вычислительной производительности «компьютеров-на-модуле», снижение энергопотребления систем на их основе, тотальный отказ от одноядерных процессоров в пользу многоядерных, появление новых малогабаритных форм-факторов, а также расширение отраслевой экосистемы поставок и поддержки вокруг «компьютеров-на-модуле». Ниже речь пойдет о современных средствах, которые могут использоваться в составе этих решений.

Открытый стандарт — залог успеха

Напомним, что главная идея технологии «компьютеров-на-модуле» состоит в разделении разрабатываемой системы на две составные части — стандартизованную и узкоспециализированную. Первой является «компьютер-на-модуле» — готовое ядро вычислительной системы, включающее процессор, микросхемы системной логики, память и ключевые технологии ввода/вывода. Вторую часть образует так называемая базовая плата, или носитель. Именно на уровне носителя реализуется адаптация системы под конкретную прикладную специфику (физические интерфейсы, дополнительная функциональность и т. п.). При этом для подключения к носителю «компьютера-на-модуле» используется стандартизованный разъем.

К основным преимуществам технологии «компьютеров-на-модуле» для разработчиков встраиваемых систем традиционно относят возможность ускоренного вывода продуктов на рынок и широкий диапазон их функциональных возможностей, улучшенный контроль механических характеристик продукции, обилие поддерживаемых интерфейсов и разнообразных стандартов, а также снижение затрат и устранение ряда факторов риска при разработке продукции. Возможно, одной из самых привлекательных черт архитектуры «компьютеров-на-модуле» для проектировщиков решений является возможность фокусировать инженерные ресурсы на выполнении основных задач бизнеса, не беспокоясь о поддержке новых поколений процессоров и совершенствующихся технологий ввода/вывода. История развития стандарта COM Express — наглядное тому подтверждение.

Появлению этого стандарта предшествовал выход спецификации ETX, определившей параметры модулей, реализуемых на базе x86-совместимых процессоров и обладающих габаритными размерами 95×114 мм и поддержкой параллельных шин ISA и PCI. Предложенная в начале 2000 года в качестве открытого стандарта компанией JUMPtec, эта спецификация быстро завоевала популярность у производителей модулей и разработчиков готовых систем. Более того, стандарт ETX оказался настолько успешным, что продукты на его основе продолжают выпускать до сих пор. Так, компания Kontron недавно представила новые модули ETX-OH (рис. 3) на основе одно- и двухъядерных встраиваемых процессоров AMD Embedded G-Series семейства Fusion. Все еще необходимая многим разработчикам возможность использования интерфейса ISA сочетается в этих модулях с беспрецедентными для встраиваемых систем возможностями обработки графических данных при теплопакете (TDP) от 10 до 18 Вт.

Модуль Kontron серии ETX-OH

Рис. 3. Модуль Kontron серии ETX-OH

Летом 2002 года компания JUMPtec стала частью холдинга Kontron, а уже в 2003 году на волне успеха стандарта ETX была выпущена новая открытая спецификация — ETXexpress. Впоследствии этот стандарт и был взят за основу при выработке версии 1.0 спецификации COM.0 (COM Express) в рамках PICMG. В разработке этой спецификации, помимо Kontron, принимали участие корпорации Intel и Radisys.

Стандарт COM Express основан на последовательной шине PCI Express. Как следствие, модули этого стандарта обладают более высокой производительностью и обеспечивают лучшую масштабируемость. В версии 1.0 спецификации COM.0, принятой в июле 2005 года, были определены пять типов модулей в соответствии с вариантами их подключения к базовым платам (при помощи 220-контактных коннекторов — в одиночной или парной конфигурации) и два форм-фактора — basic (с габаритными размерами 95×125 мм) и extended (110×155 мм).

В августе 2010 года была выпущена следующая версия стандарта COM.0 — с порядковым номером 2.0. Среди особенностей этой ревизии стандарта COM Express в первую очередь следует отметить расширение возможностей высокопроизводительной обработки графических данных (в частности, за счет использования цифровых дисплейных интерфейсов) и поддержку следующего поколения высокоскоростных последовательных шин (таких как USB 3.0). В обновленной спецификации появились форм-фактор compact с габаритными размерами 95×95 мм (ранее он был введен в обиход компанией Kontron под названием microETXexpress) и еще два типа модулей, Type 6 и Type 10. Они, по сути, являются производными от Type 2 и Type 1 — наиболее популярных вариантов реализации архитектуры COM Express в соответствии с версией 1.0 спецификации COM.0.

Модули COM Express Type 6 аналогично Type 2 для подключения к базовым платам используют два высокоплотных низкопрофильных коннектора, но с иным назначением контактов. Самое важное отличие Type 6 от Type 2 — наличие дополнительных портов цифровых дисплейных интерфейсов с возможностью вывода видеопотока одновременно на несколько мониторов. Поддерживаются интерфейсы SDVO, HDMI и Display Port, что не только предоставляет разработчику свободу выбора, но и обеспечивает максимальную графическую производительность и снижение стоимости создаваемых систем. Кроме того, в Type 6 отсутствует поддержка параллельных шин PCI и IDE, а освободившиеся контакты можно использовать для реализации высокоскоростных последовательных интерфейсов (например, USB 3.0).

Другой тип модулей, появившийся в обновленном варианте стандарта, предназначен в первую очередь для малогабаритных систем и предполагает использование процессоров со сверхнизким тепловыделением (типа Intel Atom). Специалисты называют COM Express Type 10 «братом-близнецом» Type 1. Модули обоих типов оснащаются одним 220-контактным коннектором, при этом схемы назначения контактов совместимы между собой. Специалисты Kontron, тем не менее, рекомендуют разработчикам соблюдать осторожность при переходе от Type 1 к Type 10 и не забывать о том, что часть контактов, прежде использовавшихся в качестве портов SATA, в новой версии стандарта зарезервированы для альтернативных целей (в частности, для интерфейса USB 3.0). Еще одним заметным новшеством, реализуемым в модулях Type 10, является возможность использовать цифровой дисплейный интерфейс (SDVO, DisplayPort или HDMI/DVI), заменивший собой дополнительный канал LVDS, выходы ТВ и VGA.

Необходимость соответствовать настроениям и потребностям рынка, проявляющего в последнее время поистине огромный интерес к ультракомпактным форм-факторам и энергоэффективным процессорным архитектурам, обусловила быстрый выход следующего обновления спецификации COM.0. В июне текущего года в рамках консорциума PICMG была ратифицирована версия этой спецификации с порядковым номером 2.1, которая дополнила стандарт форм-фактором mini с габаритными размерами 55×84 мм (ранее он был предложен Kontron под названием nanoETXexpress). Наряду с этим очередная ревизия спецификации COM.0 окончательно оформила поддержку модулями COM Express интерфейса USB 3.0 и предоставила возможность использования промышленной шины CAN (Controller Area Network), обеспечивающей взаимодействие микроконтроллеров, датчиков и исполнительных устройств в рамках единой сети без участия хост-компьютера. Отметим также появившиеся в новом варианте стандарта дополнительные возможности по работе с графическими интерфейсами и расширенный ряд поддерживаемых напряжений питания в диапазоне от 4,75 до 20 В.

Среди специалистов распространено мнение, что обновление до версии 2.1 превратило COM Express в единственный в мире глобальный стандарт «компьютеров-на-модуле» на основе x86-совместимых процессоров, охватывающий практически все популярные на сегодня сферы применения этой методологии — от компактных систем с пониженным напряжением питания до высокопроизводительных решений. Действительно, позиции COM Express на рынке сейчас исключительно прочны. В особенности это касается сегмента высокопроизводительных решений, где процессорам Intel Core и AMD Fusion фактически нет альтернативы.

Вместе с тем, как показала выставка Embedded World в феврале этого года в немецком Нюрнберге, стремительный рост популярности микросхем типа SoC (System-on-Chip) и, в частности, процессоров архитектуры ARM при проектировании встраиваемых систем, оптимизированных по энергопотреблению или энергоэффективности, не только является одной из ярко выраженных тенденций на рынке, но и со всей очевидностью ставит на повестку дня вопрос о стандартизации в этой области. Ответ на этот вопрос был также дан в ходе выставки Embedded World группой компаний во главе с Kontron, Adlink, Fortec и Greenbase, представившей предварительный вариант версии 1.0 открытой спецификации под рабочим наименованием ULP-COM (Ultra-Low Power Computer-On-Modules). К этому стандарту мы еще вернемся.

COM Express: прочные позиции на рынке

К настоящему времени на рынке модулей COM Express сложился уже устойчивый круг лидеров, среди которых чаще всего упоминаются такие компании, как Adlink, Advantech, Kontron и Radisys. Все они представляют собой глобальные корпорации с многомиллионными годовыми оборотами, то есть являются не просто крупными, а очень крупными бизнес-образованиями. В течение последних десяти с лишним лет каждый из участников этого квартета придерживался вполне осмысленной долгосрочной стратегии развития, включающей освоение перспективных технологий и новых рынков, разработку продуктовых линеек, расширение списка предоставляемых услуг и оптимизацию внутренней структуры, а также поглощение других компаний. Любая из перечисленных компаний сегодня готова предложить заказчикам необходимый им набор средств для создания высококачественных современных встраиваемых систем на основе методологии COM, включая непосредственно модули, платы-носители, базовые платформы, различные аксессуары и сопутствующее ПО, а также разнообразные услуги технической поддержки, интеграции, обучения и консалтинга.

Холдинг Kontron выделяется на общем фоне не только тем, что является родоначальником стандарта COM Express. Kontron также называют в числе наиболее заметных участников процесса совершенствования этого стандарта под эгидой консорциума PICMG — наряду с такими гигантами ИТ-индустрии, как Cisco Systems, Fujitsu, IBM, Intel, NEC и Oracle. Специалисты и аналитики вообще довольно часто отмечают приверженность стандартам как одну из характерных черт стратегического курса Kontron. Так, сравнительно недавно в одном из информационных материалов на сайте аналитического агентства VDC Research было особо подчеркнуто, что ключевой для Kontron сферой компетенции является опора на стандарты при разработке инновационных встраиваемых решений, характеризующихся многообразием вариантов промышленного применения.

Свобода инноваций на рынке встраиваемых систем, в особенности если речь идет об ускоренном проектировании конкурентоспособной продукции и быстром выводе ее на рынок, тесным образом связана с поддержкой новейших поколений микропроцессоров. Для Kontron этот аспект является одним из важнейших. Характерный пример: в апреле нынешнего года состоялся официальный дебют третьего поколения процессоров Intel Core, основанных на микроархитектуре под кодовым названием Ivy Bridge (техпроцесс 22 нм с применением так называемых 3D-транзисторов), а уже в начале июня компания Kontron представила две новые серии модулей COM Express форм-фактора basic на базе этих процессоров — COMe bIP2 (с распиновкой Type 2) и COMe bIP6 (Type 6).

Предназначенные для задач, требующих высокой вычислительной производительности, модули COMe bIPх (рис. 4) в первую очередь отличаются друг от друга вариантом используемого процессора. Это может быть двух- или четырехъядерный процессор семейства Intel Core i5-3000 или Core i7-3000 (в модификации для встраиваемых мобильных приложений) с тактовой частотой от 1,7 до 2,7 ГГц и теплопакетом от 17 до 45 Вт. Все модули двух представленных серий с процессорами Intel Core i5 или i7 выполнены на чипсете Mobile Intel QM77 Express и допускают установку одного или двух модулей памяти SO-DIMM типа DDR3-1333 и DDR3-1600 суммарным объемом до 16 Гбайт.

Модуль недавно представленной серии COMe bIPx

Рис. 4. Модуль недавно представленной серии COMe bIPx, выполненный в форм-факторе COM Express basic на основе процессора Intel Core третьего поколения

Графический контроллер Intel GMA HD4000, интегрированный на одном кристалле с процессорными ядрами, поддерживает интерфейсы прикладного программирования OpenGL 4.0, DirectX 11, OpenCL 1.1 и обеспечивает аппаратное декодирование Blu-ray 2.0, AVC/H.264, VC1 и WMV9. Все модули COMe bIP2 и COMe bIP6 позволяют реализовать возможность одновременного вывода независимых видеопотоков на три дисплея. При этом поддерживаются три дисплейных интерфейса DisplayPort (с помощью переходников можно использовать и мониторы DVI и HDMI), в том числе — один eDP (вариант DisplayPort для встраиваемых приложений). При необходимости для вывода видеопотока можно также задействовать порт SDVO, двухканальный интерфейс LVDS или аналоговый интерфейс для подключения ЭЛТ-мониторов с разрешением до 2048×1536.

Возможности представленных модулей по работе с дисковыми накопителями включают поддержку двух SATA-устройств третьего поколения (пропускная способность шины — 6 Гбит/с) и двух аналогичных устройств второго поколения (3 Гбит/с). Модули с разъемом Type 2 также позволяют использовать один дисковый накопитель с параллельным ATA-интерфейсом.

В несколько большей степени от типа модуля зависят варианты поддержки интерфейсов PCI, PCI Express и USB. Так, модули Type 2 позволяют использовать восемь портов USB 2.0, пять линий PCI Express 3.0 и параллельную шину PCI версии 2.3 (33 МГц). В модулях Type 6 наличествуют четыре порта USB 3.0, столько же — USB 2.0, а количество линий PCI Express 3.0 равно семи. Поддержка PCI при этом отсутствует. Отметим также, что коммуникационная подсистема у модулей обоих типов включает интерфейс Gigabit Ethernet.

В числе других характерных черт, присущих всем модулям COMe bIP2 и COMe bIP6, можно выделить наличие интегрированного криптопроцессора Infineon, выполненного в соответствии со спецификацией TPM (Trusted Platform Module) версии 1.2, поддержку технологии ACPI 3.0 (реализует механизмы конфигурирования и управления питанием средствами ОС) и использование твердотельных конденсаторов с танталовым анодом, обладающих повышенной надежностью.

Программная поддержка продуктов серий COMe bIP2 и COMe bIP6 включает пакеты BSP (Board Support Package) для ОС семейства Windows (в том числе Windows XP, Windows Vista, Windows 7, Windows Embedded Standard 7, а в перспективе — и Windows 8), а также Linux и ОС реального времени VxWorks компании Wind River (с 2009 года является подразделением Intel). В качестве основных вариантов применения рассматриваемых модулей фигурируют медицинские решения, цифровые системы оповещения и рекламы, автоматизация розничной торговли, а также M2M-приложения в аэрокосмической и оборонной сферах.

Среди других продуктов стандарта COM Express, предлагаемых в настоящее время компанией Kontron, выделяется серия модулей COMe mTT10 в форм-факторе mini. В моделях этой серии используются 45-нм встраиваемые процессоры Intel Atom серий E600 и E600T (кодовое наименование — Tunnel Creek) с тактовой частотой до 1,6 ГГц и теплопакетом от 3,3 до 4,5 Вт. Модули COMe mTT10 выполнены с распиновкой Type 10 и в модификации для промышленного применения рассчитаны на эксплуатацию при температуре окружающей среды от –40 до +85 °C. Так как эти модули обладают повышенной стойкостью к воздействию высоких и низких температур на уровне всей используемой компонентной базы, их можно применять в устройствах и решениях, ориентированных на жесткие эксплуатационные условия (в том числе — в различных вариациях M2M-архитектур), в оборонном комплексе, энергетике, системах промышленной автоматизации и т. д.

Особенность всех модулей COM Express, выпускаемых Kontron, — их прозрачный жизненный цикл (рис. 5). Его длительность обычно составляет не менее 5–7 лет, что может быть критически важным обстоятельством для проектов, рассчитанных на средне- и долгосрочную перспективу. Прозрачность жизненного цикла, в частности, подразумевает уведомление заказчиков и партнеров о наиболее важных его этапах — от доступности инженерных прототипов для тестирования перед официальным выходом продукта на рынок и вплоть до последних дат заказа и отгрузки. Кроме того, «компьютеры-на-модуле» Kontron проходят тщательное лабораторное тестирование на электромагнитную совместимость в соответствии с европейским стандартом EN 55011 (пределы и методы измерения характеристик радиочастотных помех от промышленного, научного и медицинского оборудования).

Этапы жизненного цикла продуктов COM Express компании Kontron

Рис. 5. Этапы жизненного цикла продуктов COM Express компании Kontron

Стратегический партнер Kontron в России и СНГ — компания «РТСофт», являясь частью экосистемы поддержки технологии COM Express, также вносит свой вклад в развитие и распространение идей и средств, позволяющих радикально сократить цикл разработки и производства компактных, функциональных и высоконадежных встраиваемых решений широкого назначения на основе стандарта COM.0. В частности, специалисты компании разработали ультракомпактную базовую платформу «Кена», поддерживающую модули COM Express Type 2 и Type 6 в форм-факторах compact и basic (рис. 6).

Ультракомпактная базовая платформа «Кена»

Рис. 6. Ультракомпактная базовая платформа «Кена»

Носитель «Кена» имеет размеры 150×25×48 мм, поэтому его можно использовать в устройствах как с вентиляторным, так и с кондуктивным охлаждением. Функциональные характеристики платформы включают возможность установки SATA-накопителя шириной 2,5 дюйма, наличие GPS-приемника с выходом на внешнюю антенну, а также слотов для SIM-карт и модулей расширения Mini PCI Express, с помощью которых может быть реализована поддержка различных технологий беспроводных коммуникаций (в том числе GSM, CDMA, GPRS, LTE, Wi-Fi и WiMAX). Для внешних подключений можно использовать интерфейсы DisplayPort, USB 2.0 и 3.0, RS-232, Ethernet и т. д. Опционально возможна реализация с портом интерфейса RS-485 и тремя дополнительными интерфейсами SATA. Для подачи электропитания подходит любой универсальный промышленный источник постоянного тока с напряжением от 10,8 до 14,5 В.

Важно отметить, что носитель «Кена» можно применять и как самостоятельный продукт, и как инструментальную платформу для разработки новых решений. Дизайн носителя носит референсный характер: при необходимости его функциональность может быть достаточно быстро адаптирована под условия конкретного приложения. По индивидуальным заказам обеспечиваются проектирование, производство и поставка корпусов, оптимизированных для установки носителей «Кена» и модулей COM Express.

Возможные варианты исполнения платформы включают поддержку температурного диапазона от –40 до +85 °C, что дополнительно расширяет возможности ее применения. При этом костяк потенциальных заказчиков «Кены» составляют разработчики и OEM-производители интеллектуальных встраиваемых систем для таких приложений, как цифровые системы оповещения и рекламы, автоматизация в промышленности и розничной торговле, телекоммуникационное оборудование, приборостроение, а также решения для транспорта и оборонного комплекса.

ULP-COM: компактность и эффективность

Как мы уже отметили выше, в последнее время на рынке встраиваемых компьютерных технологий заметно усилился интерес к процессорной архитектуре ARM и решениям на ее основе. Во многом это усиление интереса связано с успехами планшетных компьютеров Apple iPad и других продуктов корпорации Apple, в которых используются процессоры данной RISC-архитектуры. О феномене Apple в ИТ-индустрии говорят уже несколько десятков лет, пытаясь найти объяснение неожиданным прорывам компании на тех или иных рынках. Природа этого феномена считается неоднозначной и нередко вызывает споры, но в данном случае четко прослеживается его связь с технологией процессорных ядер ARM, одним из главных достоинств которой является сверхнизкое энергопотребление. Для устройств потребительской электроники этот фактор сегодня считается одним из важнейших, но на рынке встраиваемых систем, особенно компактных и рассчитанных на мобильные приложения, его значение и вовсе трудно переоценить.

По мнению специалистов, открытый стандарт «компьютеров-на-модуле» на основе SoC-продуктов и процессоров архитектуры ARM является в настоящее время необходимым условием дальнейшего развития этого направления на рынке встраиваемых систем. Поэтому появление спецификации под рабочим названием ULP-COM, поддержанной ведущими производителями модулей, следует признать своевременным и исключительно важным шагом, укрепляющим фундамент нового, по сути — только формирующегося, рыночного сегмента и определяющим перспективы его последующего расширения.

Начальный этап развития стандарта ULP-COM в чем-то напоминает аналогичный период в истории COM Express. Разница, однако, состоит в том, что сегодняшняя динамика рынка встраиваемых систем отличается от имевшей место десять лет назад. Изменения происходят резче и быстрее, что в свою очередь совершенно не располагает к длительным процедурам согласования и утверждения стандартов, затрудняющим своевременный вывод актуальных продуктов на рынок. Современные условия диктуют необходимость упрощенных правил и сокращения сроков стандартизации.

В рамках выставки Embedded World 2012 было объявлено об учреждении отраслевой ассоциации SGET (Standardization Group for Embedded Technologies) и делегировании ей полномочий по доработке версии 1.0 спецификации ULP-COM. К началу лета членами этой ассоциации стали уже более 20 компаний. При этом основная цель группы SGET, согласно обнародованным документам, заключается в том, чтобы работа над стандартами модульных решений для встраиваемых систем велась ускоренными темпами, то есть с минимальным объемом бюрократических проволочек.

Сам стандарт ULP-COM тоже отчасти напоминает COM Express, но есть и существенные отличия. Не следует забывать, что модули стандарта COM Express оптимизированы для использования x86-совместимых процессоров и технологий. Архитектура ULP-COM рассчитана в первую очередь на сверхнизкое энергопотребление и мобильные приложения с автономным питанием. По сравнению с COM Express модули ULP-COM, к примеру, обладают более скромными возможностями по реализации соединений USB и PCI Express, в них также отсутствует поддержка технологии PEG (PCI Express Graphics) и шины LPC. В то же время в стандарте ULP-COM предусмотрены возможности работы с шиной SPI (Serial Peripheral Interface), интерфейсами цифровых камер (в частности, Camera Serial Interface, CSI) и флэш-картами SDIO (Secure Digital I/O), а также несколько отличающийся от COM Express набор поддерживаемых дисплейных интерфейсов.

Спецификация ULP-COM 1.0 определяет два форм-фактора модулей — полноразмерный (82×80 мм) и укороченный (82×50 мм). В качестве разъема для подключения к платам-носителям выбран 314-контактный коннектор открытого стандарта MXM (Mobile PCI Express Module) версии 3.0 (высота конструктива — всего 4,3 мм). При этом, естественно, используется собственный вариант схемы назначения контактов, отличающийся от той, что определена в спецификации MXM 3.0. В качестве дисплейных интерфейсов могут использоваться LVDS (глубина цвета — 18 или 24 бит), HDMI и DisplayPort (в том числе — eDP). Кроме того, поддерживаются ЖК-мониторы с параллельным RGB-интерфейсом (24 бит) и стандарт DSI (Display Serial Interface), который, как и вышеупомянутый CSI, относится к компетенции отраслевой ассоциации Mobile Industry Processor Interface (MIPI) Alliance.

Принимая во внимание упрощенную процедуру рассмотрения и ратификации стандартов в рамках SGET, можно с уверенностью сказать, что серийный выпуск и становление рынка модулей ULP-COM 1.0 — вопрос ближайшего будущего. Готовность к этому ведущих производителей подтвердилась еще минувшей зимой в ходе выставки Embedded World 2012. Так, на стенде Kontron демонстрировались рабочие прототипы модулей ULP-COM на основе ARM-процессоров Nvidia Tegra 3 и TI Sitara AM3874. Поставки этих модулей на рынок должны начаться во второй половине текущего года.

Процессор Tegra 3, выполненный по технологии 40 нм, содержит четыре вычислительных ядра ARM Cortex-A9 с рабочей частотой 1,3 ГГц и одно дополнительное ядро со сверхмалым напряжением питания, предназначенное для выполнения фоновых задач или проигрывания медиафайлов в энергосберегающем режиме (тактовая частота 500 МГц при энергопотреблении менее 1 Вт). Кроме того, Tegra 3 включает 12-ядерный графический контроллер Nvidia GeForce, оптимизированный для систем с низким энергопотреблением, но при этом позволяющий просматривать HD-видео в формате 1080p без существенного увеличения энергозатрат. Это дает возможность использовать модули ULP-COM на основе Tegra 3 в таких суперсовременных приложениях, как, например, цифровые системы оповещения и рекламы, работающие на солнечной энергии. Среди других возможных вариантов применения этих модулей можно выделить видеоизмерительные системы и интеллектуальные системы видеонаблюдения: в Tegra 3 интегрированы механизмы преобразования и улучшения качества изображений, а также поддержка 32-мегапиксельных цифровых камер и декодирования видео в форматах H.264, MPEG4, H.263 и VP8.

Модули Kontron на основе процессора Sitara AM3874 компании Texas Instrument примечательны в первую очередь тем, что рассчитаны на эксплуатацию в диапазоне от –40 до +85 °C. Сам процессор представляет собой SoC-продукт на ядре ARM Cortex-A8 (с тактовой частотой до 1 ГГц при энергопотреблении менее 2 Вт), выпускаемый по технологии 45 нм. Помимо вычислительного ядра, на кристалле также интегрировано множество других компонентов. Перечень функциональных характеристик этой микросхемы включает, в частности, контроллер 3D-графики, контроллер памяти (с поддержкой различных вариантов технологии DDR вплоть до DDR3–800), подсистему обработки изображений, поддержку шин PCI Express, SATA, CAN и даже опциональный коммутатор Gigabit Ethernet. В качестве одного из типовых вариантов промышленного применения модулей ULP-COM на основе Sitara AM3874 называют автоматизированные системы контроля производственных линий.

В той рыночной нише, которая им отведена, решения стандарта ULP-COM практически не пересекаются с технологией COM Express — разве что с продуктами в форм-факторе COM Express mini на основе процессоров Intel Atom. Вместе с тем сейчас невозможно не заметить ускоряющегося сближения процессорных архитектур Atom и ARM по своим возможностям и функциональности, следствием чего стало обострение конкуренции между ними в сегменте ультракомпактных решений со сверхмалым энергопотреблением. Скорее всего, острота противоборства будет нарастать и дальше, что подтверждают, в частности, планы Intel по разработке следующих поколений процессоров Atom, в которых делается упор на SoC-продукты с энергопотреблением порядка 1 Вт. Вполне возможно, что со временем на рынке останется только один из дуэлянтов. В таком случае в будущем мы узнаем его имя, а пока Kontron и другие участники группы SGET фактически выступают в роли миротворцев: развитие открытых международных стандартов дает обеим противоборствующим сторонам возможность реализации собственных стратегий формирования и расширения глобальных экосистем поддержки модульных решений в перспективных рыночных нишах.

Заключение

Специалисты подчеркивают, что продолжающийся рост рынка «компьютеров-на-модуле» во многом обусловлен достоинствами самой технологии, позволяющей разрабатывать компактные, надежные и гибкие решения, отвечающие требованиям широкого спектра встраиваемых приложений.

Решающим доводом в пользу этой технологии для разработчиков чаще всего становится возможность ускоренного создания и вывода на рынок конкурентоспособной продукции при снижении объемов инвестирования в исследовательские и конструкторские работы и значительной экономии средств на логистику. Важную роль играет и то, что модульный подход к проектированию решений обеспечивает их лучшую адаптацию к меняющимся требованиям заказчиков. Это имеет особое значение для встраиваемых систем со сроком службы семь и более лет, которым со временем могут потребоваться рост вычислительной производительности и поддержка новых высокоскоростных интерфейсов ввода/вывода.

Пройдя за последние десять лет немалый путь (в 2002 году объем рынка «компьютеров-на-модуле», по данным VDC, оценивался всего лишь в $44 млн), индустрия «компьютеров-на-модуле» не намерена останавливаться в своем движении вперед, локомотивом которого по-прежнему выступает международный стандарт COM Express. Развитие процессорных технологий сулит выпуск миниатюрных SoC-продуктов с еще более высокой степенью интеграции и сверхмалым энергопотреблением. Следствием этого, как ожидается, станет дальнейший рост популярности компактных форм-факторов (таких как ULP-COM). Столь же неизбежным представляется и очередной скачок производительности «компьютеров-на-модуле» в конструктивах более крупных размеров.

Резюмируя, необходимо отметить, что бурное развитие технологии «компьютеров-на-модуле», свидетелями которого мы являемся в настоящее время, открывает перед разработчиками встраиваемых решений, в том числе — российскими, широчайшее поле для реализации инновационных идей и создания систем с качественно новым уровнем интеллектуальных возможностей. С точки зрения перспектив данной технологии в нашей стране — это, безусловно, хорошая новость. Ведь, как показывает практика последних лет, отечественные инженеры практически молниеносно перенимают новейшие зарубежные технологии и создают на их основе конкурентоспособные продукты, ориентированные не только на российский, но и на иностранные рынки.

Сообщить об ошибке