Rugged-COMs Computer-on-Module mit robustem RAM für raue Umgebungen

Von Zeljko Loncaric *

Gängige Computer-on-Module integrieren Arbeitsspeicher über SO-DIMM-Sockel. Doch bereits schwache Vibrationen können die Funktionssicherheit beeinträchtigen. Bei hoher Schock- und Vibrationsbelastung sind deshalb robustere Auslegungen gefragt.

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COM-Express-Modul von Congatec: leistungsstark dank Intels Core-Prozessoren der 11. Generation und geeignet für raue Umgebungen.
COM-Express-Modul von Congatec: leistungsstark dank Intels Core-Prozessoren der 11. Generation und geeignet für raue Umgebungen.
(Bild: Congatec)

Im Railcargo-Bereich treten Vibrationen von rund 0,002 g²/Hz in einem Frequenzbereich zwischen 0 und 350 Hz auf. Die Vibrationsbelastung in einem Düsenflugzeug ist mit 0,01 g²/Hz deutlich höher und reicht bis in Frequenzbereich von 2.000 Hz hinein. Systeme in LKWs sind noch stärkeren Belastungen von bis zu 0,02 g²/Hz ausgesetzt. Extreme Anforderungen stellen zudem Turbinenmotoren, wie sie beispielsweise in Windkraftanlagen zum Einsatz kommen. Sie beanspruchen Komponenten sogar mit bis zu 0,03 g²/Hz.

Entwickler mobiler und stationärer Systeme mit Schock und Vibration, etwa von stationären 5G-Basisstationen bis hin zu Zügen und Drohnen suchen deshalb nach Lösungen, den Arbeitsspeicher besser zu fixieren. Hierbei kam es schon zu abenteuerlichsten Lösungen. So wurde teils geklebt und teils mit Riemen gegurtet oder auch Klammern gespannt, um zusätzliche Rückhaltemechanismen zu ermöglichen, damit der SO-DIMM funktionssicher bleibt und im Extremfall nicht aus seinem Sockel herausrutscht.

Dieser Ansatz hat jedoch auch ein Problem, das den Sockel selbst betrifft, wie von der Embedded Community bereits festgestellt wurde. Es besteht nämlich die Sorge, dass die Bewegung des Speichermoduls innerhalb des Sockels – in der Regel einer der vergleichsweise preiswerten, handelsüblichen Sockel, die in Laptops verwendet werden – zu Unterbrechungen bei den Pin-Verbindungen führen kann, die wiederum ein System zum Absturz bringen können.

Improvisation ist ein schlechter Ratgeber

So gibt es mechanische Lösungen, Speicherriegel sicher im Sockel zu fixieren. Dafür fügen Speicherhersteller ihren SO-DIMMs Löcher am hinteren Ende des Moduls hinzu, die es ermöglichen, das RAM-Modul mit Schrauben zu fixieren, sodass Stöße und Vibrationen kein Problem mehr sind. Tests von SO-DIMM-Herstellern haben hierbei ergeben, dass eine solche Konstruktion durchaus robust ist: Auf einer Rüttelplatte montiert lässt sich die Konstruktion problemlos 30 Minuten mit zufälligen Vibrationen von 50 bis 5.000 Hz aussetzen bei einer Vibrationsstärke von 6 auf 20 grms (Root-Mean-Square Acceleration) in Schritten von 2 grms. Auch sind Stöße mit 20 g – also dem 20-fachen der Erdbeschleunigung – über 1 ms entlang jeder der drei Achsen zusätzlich zu Vibrationen mit 0,04 g²/Hz im Bereich von 20 Hz bis 2.000 Hz kein Problem. Technisch erfüllen solche Lösungen also auch sehr robuste Anforderungen und das ist auch gut so, denn sonst würde man ja auch daran zweifeln, dass Computer-on-Modules selbst ebenfalls solche Tests überstehen. Alles was man also braucht sind die Fixierungen.

Sind Standards ein Lösungsweg?

Alles schön und gut und es gibt mit RS-DIMM seit 2010 sogar eine Spezifikation für Speicher als Mezzanine-Karten, die alle Robustheitsanforderungen konform der ANSI/VITA-47-Spezifikationen erfüllen. Doch so gut die Ideen waren: Solche Technik hat nicht viele Abnehmer. Entsprechend findet man solche Mezzanine-Module kaum. Auch Rugged SO-DIMMs mit Montagelöchern sind nicht Massenware. Deshalb sind solche besonders robusten Module im Einkauf noch immer teurer als normale. Zudem sind sie aber auch mechanisch komplexer und infolge auch teurer in der Bestückung, da die Verschraubung in der Regel von Hand gemacht werden muss. Darüber hinaus erfordern sie auch noch zusätzliche Montagelöcher auf den Boards, was die Produktionskosten zusätzlich erhöht. Ideal ist folglich, all diese Add-Ons zu vermeiden und den Speicher einfach direkt auf das Modul zu löten. Dadurch entfallen mehrere Komponenten auf der Stückliste, die Fertigung wird kostengünstiger und allem voran ist die Robustheit hier auch zweifelsohne gegeben. Schock- und Vibrationstests des Arbeitsspeichers können entsprechend für die Qualifizierung der Systeme entfallen. Hinzu kommt noch ein weiterer entscheidender Vorteil des gelöteten Speichers: Er lässt sich leichter kühlen als klassische Speicherriegel. Dies liegt zum einen an der besseren Entwärmung über das PCB selbst, auf dem er aufgelötet ist. Zum anderen können die Kühlkörper, die bei hohen Robustheitsanforderungen exakt auf die Topographie der Computer-on-Modules angepasst sind, durch eine wärmeleitende Verbindung den Hot-Spot Arbeitsspeicher zusätzlich kühlen.

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Gelötet ist besser!

Weltbewegend sind solche Lösungswege von der technischen Seite her nicht. Man kann schließlich alles auf eine Platine löten. Spannend wird es aber dann doch, wenn man sich den gesamten Aufwand anschaut, bis OEM zu einer wirklich robusten Lösung kommen. Und hier ist es vor allem bei geringen Stückzahlen für einzelne Serien wichtig, dass man dennoch ein modulares Konzept hat. Computer-on-Modules, deren Prozessor und Speicher perfekt aufeinander abgestimmt sind und die in mehreren Performanceklassen angeboten werden, sind hier der Königsweg. Sie kommen als applikationsfertige Komponente mit speziell angepassten Kühllösungen und allem anderen, was Entwickler für die Auslegung ihrer individuellen Systeme benötigen und sind über viele Jahre in identischer Bestückung verfügbar, was das Lifecycle-Management für OEM erleichtert.

Rugged COM Express Type 6 Computer-on-Modules

Neueste Computer-on-Modules-Lösungen auf Basis der aktuell 11. Generation von Intels Core-Prozessoren hat hierzu Congatec jüngst vorgestellt. Die Computer-on-Modules, basierend auf COM Express Type 6, entsprechen den ETSI-Spezifikationen EN 300 019-1-7 und IEC 60721-3-7 für portablen und nicht stationärem Einsatz von Telekom-Equipment und wurden hierfür speziell für kommerzielle 7K3, 7M2 und industrielle 7K4, 7M2 für Umgebungen geprüft. Diese Klasse gilt auch für den Einsatz an nicht wettergeschützten Standorten in gemäßigtem Freiluftklima und für den Transfer zwischen diesen Bedingungen. Beispielsweise dort, wo die Geräte direkter Sonneneinstrahlung, Wärmestrahlung, Bewegungen der Umgebungsluft ausgesetzt sein können und Kondenswasser, Niederschlag, Wasser aus anderen Quellen als Regen und Vereisung auftauchen können und an denen Schimmelpilzwachstum oder Angriffe von Tieren, ausgenommen Termiten, auftreten können. Sie dürfen auch in städtischen Gebieten mit üblichen Schadstoffwerten zum Einsatz kommen mit über das gesamte Gebiet verstreuten industriellen Aktivitäten und/oder mit starkem Verkehr. Auch in unmittelbarer Nähe von Sand- oder Staubquellen ist der Einsatz zulässig.

Erfüllt alle relevanten Standards

In punkto Schock und Vibration eignen sie sich für den Einsatz für anspruchsvolle Transport- und Mobilitätsanwendungen bis hin zu Offroad- und Schienenfahrzeugen. Zudem halten sie im Dauerbetrieb selbst extremen Temperaturen (–40 bis 85 °C), hoher Feuchtigkeit und starken mechanischen Belastungen stand und erfüllen auch alle Anforderungen für den Brandschutz. Für preissensitivere Anwendungen bietet Congatec auch eine kostenoptimierte, auf dem Intels Celeron-Prozessor basierende Variante für den erweiterten Temperaturbereich von 0 bis 60 °C. Typische Kunden für die neue Range an Computer-on-Modules auf Basis der Tiger-Lake-Mikroarchitektur sind OEMs von Zügen, Nutzfahrzeugen, Baumaschinen, landwirtschaftlichen Fahrzeugen, selbstfahrenden Robotern und vielen anderen mobilen Anwendungen in anspruchsvollsten Outdoor- und Off-Road-Umgebungen.

Schock- und vibrationsresistente stationäre Devices sind ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich, da die Digitalisierung den Schutz kritischer Infrastrukturen (CIP) gegen Erdbeben und andere missionskritische Ereignisse erfordert. All diese Anwendungen können nun von superschnellem LPDDR4X-RAM mit bis zu 4.266 MT/s profitieren, den Congatec in fein abstuften Varianten von 32, 16, 8 und 4 GB als Standardvarianten anbietet. Je nach Bedarf können dabei die leistungsfähigsten Module auch mit kleinerem Speicher oder leistungsschwächere Varianten auf Basis des Intel Core i3-1115G4E mit mehr als 8 GB RAM ausgerüstet werden. Auch Varianten mit kostengünstigeren RAM-Bausteinen aber dafür etwas langsameren Transferraten sind bereits ab Losen von 100 Stück problemlos möglich. Der In-Band-Fehlerkorrekturcode (IBECC) für Einzelfehlertoleranz und hohe Datenübertragungsqualität in EMI-kritischen Umgebungen unterstreicht das robuste Design der Module.

Umfassender Entwicklungssupport für ultrarobuste Systeme

Das Value-Paket beinhaltet zudem robuste Montageoptionen für das COM- und Carrier-Bundle, aktive und passive Kühloptionen, ein optionales Conformal Coating zum Schutz vor Korrosion durch Feuchtigkeit oder Kondensation sowie Schwefelungsschutz, eine Liste empfohlener Carrierboard-Auslegungen und – für höchste Zuverlässigkeit – schock- und vibrationsresistente Komponenten für den erweiterten Temperaturbereich. Dieses technische Feature-Set wird durch ein Service-Angebot ergänzt, das Schock- und Vibrationstests für kundenspezifische Systemdesigns, Temperatur-Screening- und High-Speed-Signal-Compliance-Tests sowie Design-in-Services und alle erforderlichen Schulungen umfasst, die den Einsatz der Embedded-Computer-Technologien von Congatec vereinfachen.

Die Vorteile im Detail

Basierend auf den neuen stromsparenden High-Density Intel Core SoCs der 11. Generation bieten die neuen Module im Vergleich zu den Vorgängermodellen eine deutlich höhere CPU-Leistung und eine fast dreifach höhere GPU-Leistung sowie State-of-the-Art PCIe-Gen4-Unterstützung. Anspruchsvollste Grafik- und Datenverarbeitungs-Workloads profitieren von bis zu vier Kernen, acht Threads und bis zu 96 Grafik Execution Units für massiv-parallelen Verarbeitungsdurchsatz in ultra-robuster Auslegung. Die integrierte Grafik unterstützt nicht nur 8k-Displays oder 4x4k; sie kann auch als parallele Verarbeitungseinheit für Convolutional Neural Networks (CNN) oder als KI- und Deep-Learning-Beschleuniger eingesetzt werden. Die in der CPU integrierte Intel-AVX-512-Befehlseinheit mit Unterstützung für Vector Neural Network Instructions (VNNI) ist ein weiteres Funktionselement der Plattformen zur Beschleunigung von KI-Anwendungen. Mit dem Software-Toolkit OpenVino von Intel, das optimierte Aufrufe für OpenCV, OpenCL-Kernel und andere Industrie-Tools und -Bibliotheken enthält, können Workloads über CPU-, GPU- und FPGA-Recheneinheiten erweitert werden, um KI-Workloads zu beschleunigen – einschließlich Computer-Vision, Audio und Spracherkennungssystemen.

Die TDP ist von 12 bis 28 W skalierbar und ermöglicht vollständig geschlossene Systemdesigns mit rein passiver Kühlung. Die beeindruckende Performance des ultra-robusten COM-Express-Typ-6-Moduls conga-TC570r ist in einem echtzeitfähigen Design verfügbar und unterstützt Time Sensitive Networking (TSN), Time Coordinated Computing (TCC) und den Hypervisor von RTS Real-Time Systems für den Einsatz von virtuellen Maschinen und die Konsolidierung von Workloads in Edge-Computing-Szenarien.

* Zeljko Loncaric ist Marketing Engineer bei Congatec.

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