Computer-on-Modules sind laut Marktzahlen von IHS Markit das weitverbreitetste Embedded-Design-Prinzip – sogar noch vor klassischen Embedded Boards, wie Mini-ITX oder 3,5 Zoll Single Board Computern. Begründet ist die hohe Beliebtheit solcher Embedded System Designs in der gelungenen Kombination aus der Flexibilität kundenspezifischer Designs über ein einfach zu entwickelndes Carrieboard und ein einfach einzusetzendes fertig entwickelte Modul, das auch alle benötigten Treiber und Firmware direkt ‚ready-to-use‘ mitbringt. Als Super-Komponenten bieten sie nämlich alle kritischen Bausteine wie CPU, Arbeitsspeicher, High-Speed Interfaces und häufig auch die Grafikeinheit in einem funktionsvalidiertes Gesamtpaket. Vorteilhaft ist auch die Tatsache, dass Computer-on-Modules eines Standards über Prozessorgenerationen und Herstellergrenzen hinweg flexibel austauschbar sind. So können OEM ihre Lösungen flexibel skalieren und auch nach etlichen Jahren noch mit aktueller Prozessortechnik aufrüsten. Zudem lassen sich auch sehr einfach Multivendor-Strategien umsetzen, was Vorteile bei der Preisstellung sowie vor allem bei der Sicherung der Verfügbarkeit bietet. Für die Standardisierung sorgen zwei unabhängige Standardisierungsgremien: Die in Amerika gehostete PICMG sowie die deutsche SGET, die aktuell in der Summe vier Computer-on-Module-Standards pflegen, die zumeist auch zahlreichen Varianten ausgebildet haben. Im High-End-Segment sind dies die Standards COM-HPC und COM Express. Im Low-Power Bereich SMARC und Qseven.

Neuer High-Performance Standard

COM-HPC ist der neuste Standard der PICMG für Computer-on-Modules, der in Kürze offiziell verabschiedet werden wird. Wie der Name schon vermuten lässt, richtet sich COM-HPC an High-Performance Embedded Computer-Designs und ordnet sich mit seiner Performance oberhalb des weltweit führenden COM Express Standards ein. COM-HPC zielt auf die kommenden High-Speed Schnittstellen wie PCI Express 4.0 und 5.0 sowie 25 Gbit Ethernet ab und bietet hierfür zwei unterschiedliche Modulvarianten an, die von der COM-HPC Workinggroup unter ihrem Chairman Christian Eder von Congatec entwickelt wurden: COM-HPC Server und COM-HPC Client. Technisch unterscheiden sich diese vor allem durch einen unterschiedlichen Footprint, die Anzahl und Art der ausgeführten Schnittstellen sowie die Speicherausstattung.

COM-HPC Server Module

COM-HPC Server definiert das Ultra-High-End des Embedded Computings und adressiert die neuen Edge- und Fog-Server im rauen Umfeld, die zunehmend massive Workloads verarbeiten müssen. Dafür spezifiziert COM-HPC Server zwei unterschiedlich große Footprints mit bis zu 64 PCIe Lanes und bis zu 256 Gigabyte/s sowie bis zu 8x Ethernet mit jeweils 25 Gbit/s. COM-HPC Server ist jedoch nicht auf x86-Technologie beschränkt, sondern sieht auch den Einsatz von RISC-Prozessoren, FPGAs und GPGUs als Recheneinheiten vor, was neu ist und eine weitere Modularisierungsperspektive bietet. Um den Anforderungen an Serverapplikationen zu entsprechen, bieten die Module auch Master-Slave Modi sowie ein Remote-Management, das auf den Befehlssatz des mächtigen IPMI-Standards zurückgreift und so etablierte Server-Technologie auch für Server-on-Module verfügbar macht. COM-HPC Server-Module bieten zudem ein Leistungsbudget von bis zu 300 Watt, sodass sich mit diesem Standard auch besonders leistungsfähige Embedded Edge- und Fogserver entwickeln lassen. Zum Vergleich: Das aktuell leistungsstärkste Server-on-Module nach COM Express Type 7 Standard erlaubt maximal 100 Watt. Auch die Anzahl der ausgeführten Signal-Pins unterscheidet sich deutlich. Der COM Express Steckverbinder hat 440 während COM-HPC mit 800 fast doppelt so viele Pins bietet.

COM-HPC Client Module

COM-HPC Client Module sind auf High-Performance Embedded Systeme mit integrierter Grafik ausgelegt. Sie bieten vier Grafikausgänge via drei Digital Display Interfaces (DDI) und 1x embedded DisplayPort (eDP). Sie hosten bis zu vier SO-DIMM Sockel in die man aktuell bis zu 128 GByte Arbeitsspeicher stecken kann. Für Peripherieanbindung stehen 48 PCIe Lanes sowie 2x USB 4.0 zur Verfügung. Über zwei MIPI-CSI Interfaces können zudem auch Embedded Kameramodule direkt angeschlossen werden. COM-HPC Client Module wird es in drei unterschiedlichen Größen geben: 120 x 160 mm (Size C), 120 x 120 mm (Size B) und 120 x 95 mm (Size A).

COM Express

Damit ist also der kleinste Footprint von COM-HPC Client fast genauso groß wie COM Express Basic mit 125 x 95 mm. Dadurch lässt sich erkennen, dass sich COM-HPC Client deutlich oberhalb von COM Express verortet und damit Applikationen adressiert, die sich mit COM Express nicht erreichen lassen. COM Express wurde 2005 gelauncht und ist damit der bislang am längsten verfügbare unter den hier vorgestellten Computer-on-Module-Standards. Die Spezifikation definiert eine Familie unterschiedlicher Modulgrößen und Pinbelegungstypen. Anders als COM-HPC und die Small-Formfaktor Modul-Spezifikationen Qseven und SMARC konzentriert sich COM Express allein auf die x86 Prozessortechnologie.

COM Express Type 7 Server-on-Module

Analog zu COM-HPC gibt es auch bei COM Express sowohl Server- als auch Client-Module, die vor allem mit den bekannten Pinouts Typ 6 (Client) und Typ 7 (Server) verfügbar sind. Wie bei COM-HPC ist das Server-Pinout Type 7 ein headless Server-on-Module ohne Grafikausgänge und ist ebenfalls für Embedded Edge- und Fog-Server konzipiert. Sehr interessant ist die Unterstützung von bis zu 4x10 GbE und bis zu 32x High-Speed PCIe Gen 3.0 Lanes für Schnittstellen und Speichermedien. Verfügbar sind diese Server-on-Moduels beispielsweise mit Intel Xeon D Prozessoren die AMD EPYC Embedded 3000 Prozessoren. Für sie bietet Congatec auch ein 100-Watt Ökosystem mit applikationsfertigen Kühllösungen an, um das Design-In der leistungsstärksten COM-Express Server-on-Module zu vereinfachen.

COM Express Type 6 Computer-on-Modules

Für klassische Embedded Applikationen mit Grafik bietet sich die PICMG COM Express Typ 6-Spezifikation an. Diese Module sind mit Embedded Prozessoren verfügbar, die von Intel Core, Pentium und Celeron bis zur AMD Embedded R-Serie reichen. Sie messen 95 x 125 mm² (Basic) oder 95 x 95 mm² (Compact) und bieten 440 Pins zum Carrierboard mit einer breiten Palette an aktuellen Computerschnittstellen. Sie unterstützen bis zu vier unabhängige Displays, 24 PCIe Lanes, USB 2.0 und USB 3.0 sowie Ethernet, CAN Bus und serielle Schnittstellen. Sie bieten damit alles, was zum Aufbau leistungsstarker SPSen, HMIs, Shop-Floor-Systeme oder SCADA-Arbeitsplätze in Leitwarten benötigt wird. Weitere Anwendungsgebiete sind High-End Digital-Signage-Systeme und leistungsstarke Medizingeräte für die bildgebende Diagnostik.

COM Express Type 10 Mini-Module

Für den kleinesten PICMG Formfaktor COM Express Mini im Format 55 x 84 mm² spezifiziert die PICG das Typ 10 Pinout und rundet damit den Satz der COM Express-Spezifikationen in Richtung Small Form Faktor Designs ab. Diese Module sind für Low-Power Intel Atom und Celeron Prozessoren konzipiert. Dank der einheitlichen Konnektortechnik und Designguides, die im gesamten PICMG COM Express Ökosystem eingesetzt werden, können Entwickler besonders viele Funktionen wiederverwenden, was der Hauptvorteil dieser Mini-Spezifikation ist. Etablierter und weiter verbreitet sind jedoch die SMARC und Qseven Standards der SGET. Beide Standars unterstützen sowohl x86 als auch ARM-Applikationsprozessoren.

Qseven für tief eingebettete Designs

Der Unterschied zwischen Qseven und SMARC lässt sich, abgesehen von den unterschiedlichen Abmessungen (Qseven 70 x 70 mm; SMARC 82 x 50 mm), ganz einfach erklären: Auf der Konnektorseite bietet Qseven 230 Pins, SMARC 314 Pins. Qseven fokussiert damit tief eingebettete industrielle Designs. Beispiele finden sich in IoT-Gateways, kostenoptimerte HMIs und Retailsystemen. Für diese bietet Qseven eine optimierte industrielle Peripherieunterstützung mit bis zu 2x USB 3.0, 8x USB 2.0 sowie bis zu 4x serielle Interfaces oder CAN Bus. Zusätzlich können bis zu zwei MIPI CSI Kameras über einen Flachfolienstecker am Modul angeschlossen werden. Für die Internet-Konnektivität verfügt Qseven über einen Gigabit-Ethernet-Port und für den Display Support können Qseven-Module mit einer Unterstützung von bis zu drei unabhängigen Displays aufwarten. Aktuelle Qseven Module von Congatec sind als x86 Varianten mit Intel Atom (Apollo Lake) Prozessoren oder als Arm-Plattformen mit den neuen i.MX 8 und i.MX 8X Prozessoren verfügbar.

SMARC für Embedded Vision

SMARC adressiert das High End der SFF-Applikationen. Dieser Standard hat jüngst mit der Revision 2.1 ein wichtiges Update erfahren. Die neue Revision bringt zahlreiche neue Features mit sich, wie SerDes Support für erweiterte Edge Konnektivität sowie zwei zusätzliche Interfaces auf dem Modul für nun insgesamt 4 MIPI-CSI Kameraschnittstellen, um den zunehmenden Bedarf nach der Fusion von Embedded Computing und Embedded Vision gerecht zu werden. Die neuen Funktionen sind rückwärtskompatibel zur Rev. 2.0. Alle Erweiterungen zur Rev.2.0 sind zudem optional, sodass alle Congatec SMARC 2.0 Module automatisch auch SMARC 2.1 kompatibel sind.
Neben den zwei MIPI-Interfaces auf dem Konnektor ist die Unterstützung drahtloser Interfaces wie WLAN und Bluetooth direkt auf dem Modul ein weiteres Unterscheidungsmerkmal zu Qseven. Ideale Prozessoren für SMARC-Module sind die 5. Generation der Intel Atom Prozessoren sowie die gesamte Bandbreite der neuen i. MX 8 Applikationsprozessoren, die Congatec in 12 verschiedenen Geschmacksrichtungen auf seinen SMARC Computer-on-Modules anbietet.

Vom Moduldesign zum Standard-Board

Nicht immer ziehlen Computer-on-Modules auf kundenspezifische Designs ab. Sie können auch Standardboards sehr flexibel skalierbar machen, wie das neue 3,5-Inch Board von Congatec beweist. Es bietet einen SMARC Steckplatz und schlägt damit den Bogen vom Module-Design hin zu standardisierten Embedded Boards. Es ist für den Einsatz des gesamten NXP i.MX8 Modulportfolios von Congatec optimiert. Aus Sicht der von proprietären Designs geprägten Arm-Prozessorwelt ist dieses 3,5 Zoll SBC Design ein weiterer Schritt in Richtung Commercial-off-the-Shelf (COTS) verfügbarer Standard-Boards und Systeme. Die zwei integrierten MIPI-CSI 2.0 Steckverbinder machen OEMs die Entwicklung von Embedded Vision Applikationen besonders einfach, da MIPI-Kameras nun direkt ohne Zusatzbaugruppe angebunden werden können. Besonders komfortabel ist für OEM auch die Tatsache, dass sie das Board auch als Lösungsplattform inklusive Kameratechnologie von Embedded Vision Partnern wie Basler Plug & Play einsetzen können, da sie auch Bootloader, OS sowie passenden BSPs und prozessoroptimierter Basler Embedded Vision Software integriert.