High-Speed Backplanes: Welches System eignet sich für welche Anwendung?

| Autor / Redakteur: Alexander Jäger * / Kristin Rinortner

cPCI, VPX oder xTCA: Welches System eignet sich für welche Anwendung?
cPCI, VPX oder xTCA: Welches System eignet sich für welche Anwendung? (Bild: Heitec)

Geht es um die serielle High-Speed-Übertragung, scheiden sich die Geister. Die einen setzen auf VPX, die anderen auf CompactPCI und xTCA. Doch welcher Standard eignet sich nun besser für die jeweilige Anwendung?

Unternehmen unterschiedlicher Branchen setzen Plattformen und Systeme ein, die einem Standard der großen Konsortien VITA und PICMG entsprechen. Die stetig steigenden Anforderungen, etwa durch neue Übertragungstechnologien, führten zur Definition neuer Standards wie die von der VITA standardisierte VPX/OpenVPX- sowie die von der PICMG verabschiedete CompactPCI Serial- und xTCA-Architekturen, um Boards, die zugehörigen Backplanes und damit Systeme mit deutlich gesteigerten Übertragungsbandbreiten zu ermöglichen.

Die Anfänge: VERSAbus 1979

Doch zuerst wollen wir einen kurzen Blick zurück auf die Entwicklungen werfen, die zur Verabschiedung dieser Standards geführt haben: Der erste Industriestandard betrat mit dem VERSAbus im Jahr 1979 die Computerbühne, der VMEbus folgte 1981; in den Folgejahren wurden weitere Backplane-Busarchitekturen verabschiedet. Dazu gehörten u.a. CompactPCI 1999, AdvancedTCA 2003, MicroTCA 2006, VPX als VME-Nachfolgestandard 2004 und überarbeitet im Jahr 2007, OpenVPX 2009 (und in der überarbeiteten Version 2017), zuletzt CompactPCI Serial im Jahr 2011.

Der wachsende Bedarf an Redundanz – etwa für Hochverfügbarkeit – und symmetrisches Multiprocessing für hohe Datenverarbeitung spiegeln sich in dieser Entwicklung wider. Ausgehend von der Boardlevel-Spezifikation hat sich die Definition für die serielle Topologie nun auf Systemebene ausgedehnt, um die Interoperabilität zwischen allen Systemteilen zu optimieren und anwendungsspezifische Anforderungen besser und kostengünstiger zu bedienen.

CompactPCI-Serial als Weiterentwicklung von CompactPCI

CompactPCI-Serial (PICMG CPCI-S.0) ist die konsequente Weiterentwicklung des CompactPCI-Standards, der VPX-Standard (VITA 46) ist eine Weiterentwicklung des VME-Standards. VPX kommt – wie CompactPCI-Serial – dem Bedarf an Schnittstellen mit schnellen seriellen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen nach, um modulare und hoch performante Computersysteme zu ermöglichen.

Dabei lehnt sich die Mechanik bei beiden Standards an die 19-Zoll-Normen IEC 1101-1 und IEEE 1101-10 an, was Baugruppen und damit auch Backplanes in 3 HE und 6 HE definiert. Die Standards beschreiben und bedienen Schnittstellen bzw. Steckverbinder mit einer unterschiedlichen Anzahl differentieller Paare sowie unterschiedlicher Spannungsversorgung. Kurz zusammengefasst gibt die Spezifikation CompactPCI Serial klar vor, wie Mechanik, Komponenten bis hin zu deren Stecker-Belegungen umzusetzen sind.

Mehr Möglichkeiten mit VPX

Bei VPX/OpenVPX ergeben sich mehr Möglichkeiten gerade in Bezug auf verschiedene Interfaces und Steckertypen, was die Konfiguration aufwändiger macht, aber auch vielseitigere Optionen eröffnet. Hier spielt vor allem der OpenVPX-Standard eine immer größere Rolle, da hier Profile zur Belegung und der Verteilung der Schnittstellen der einzelnen Komponenten definiert sind.

Dieser soll als Ergänzung zur VPX-Basisspezifikation eine höhere Kompatibilität gewährleisten und wird laufend gepflegt und erweitert. Die Spezifikation xTCA zeichnet sich durch eine hohe Skalierbarkeit und Bandbreite aus und wurde als Standard für Carrier-Grade-Anwendungen im Telecom-Bereich entwickelt, um Hochverfügbarkeit bei hohem Durchsatz zu garantieren.

AdvancedTCA und MicroTCA

Gerade AdvancedTCA (ACTA) hat sich seit vielen Jahren in der Telekommunikation etabliert. Der MicroTCA-Standard wurde geschaffen, um die bereits vom ATCA-Standard vorhandenen AMC-Module (Advanced Mezzanine Card) auch ohne aufwändige Trägerboards zu verwenden. Dies hat allerdings zur Folge, dass die AMC-Baugruppen und damit beispielsweise auch der Kartenkorb eines MicroTCA-Systems nicht mehr in den gängigen Höheneinheiten (HE) gemessen werden kann.

Für alle drei Standard-Familien aber gilt, dass sie eine kosteneffiziente Off-the-Shelf-Basis bilden sowie Modularität und den Zugang zu einem umfangreichen Ökosystem von standardisierten Karten und Software ermöglichen.

Zahlen zu Embedded Boards und Embedded-Systemen

Der komplette Marktanteil von Embedded Boards und Embedded-Systemen im Umlauf über alle Branchensegmente und Unterarchitekturen hinweg wird auf ca. 3,5 bis 4,5 Mrd. US$ geschätzt, wobei die drei führenden Standard-Backplane-Basisarchitekturfamilien xTCA (enthält u.a. AdvancedTCA und MicroTCA), CompactPCI (enthält auch CompactPCI-Express, -Plus-I/O und –Serial) und VMEbus (enthält alle VME-basierenden Standards, aber auch VPX und OpenVPX) den Markt dominieren und zu nahezu gleichen Teilen untereinander aufteilen.

Bild 1: 
Marktübersicht zu den 
einzelnen Standards.
Bild 1: 
Marktübersicht zu den 
einzelnen Standards. (Bild: Heitec)

Auch die Wachstumsvorhersagen gleichen sich und größere Veränderungen bei der Vorherrschaft dieser drei Standards sind nicht zu erwarten. Deutliche Unterschiede werden erst ersichtlich, wenn man tiefer in die Materie einsteigt. Mit 47% Anteil am gesamten Markt sind Kommunikationsanwendungen das Segment, das offene, standardisierte Backplane-Architekturen am häufigsten einsetzt, mit 26% bleibt die Luftfahrt weiterhin ein starker und wichtiger Vertreter und mit 19% finden sich viele Einsatzbereiche für hoch-performante, skalierbare Systeme in der Automatisierung (Quelle: New Venture Research Group 2016-2018).

Die Verbreitung der Architekturen in den jeweiligen Marktbereichen gestaltet sich wie folgt: In der Kommunikation dominieren aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften ganz klar xTCA mit 58% und CompactPCI mit 39%. Im Luftfahrt- und Verteidigungssegment ist die Dominanz des robusten VMEbus mit 86% eindeutig, während in der Automatisierung das Verhältnis mit 46% xTCA, 31% CompactPCI sowie 23% VMEbus sehr viel ausgeglichener ist. In der Medizintechnik hat CompactPCI mit 65% ein Übergewicht gegenüber dem VMEbus mit 35%, xTCA spielt hier so gut wie keine Rolle – was auch für die übrigen Applikationsbereiche gilt: Hier teilen sich der VMEbus mit 56% und CompactPCI mit 44% den Markt untereinander auf.

Bild 2: 
Marktübersicht Architekturen (links) und Verfügbarkeit von Off-the-Shelf-Lösungen.
Bild 2: 
Marktübersicht Architekturen (links) und Verfügbarkeit von Off-the-Shelf-Lösungen. (Bild: Heitec)

Analysiert man die Anbieter von auf diesen Architekturen basierenden Produkten, werden signifikante geographische Gewichtungen ersichtlich: CompactPCI ist vor allem bei europäischen und asiatischen Herstellern verbreitet, VPX ist eine nordamerikanische Angelegenheit und xTCA ist auf allen Kontinenten vertreten.

Diese Verbreitung ist in gewisser Weise „historisch“ bedingt und aufgrund der gewachsenen Bedeutung bestimmter Industrien in den jeweiligen Regionen keine Überraschung. VPX wurde beispielsweise überwiegend durch die Mitarbeit amerikanischer Firmen der Rüstungs- und Luftfahrtindustrie erstellt und freigegeben und war eine „natürliche Weiterentwicklung“ des VME-Standards und des VXS-Interim-Standards, der bereits einige wenige serielle Schnittstellen erlaubte. Die Definition des CompactPCI-Standards war dagegen in erster Linie der Initiative der Kommunikationsindustrie geschuldet.

cPCI, VPX oder xTCA: Welches System eignet sich für welche Anwendung?

Bei einem Vergleich von CompactPCI-Serial und (Open-)VPX stellt sich heraus, dass die Preisunterschiede von Verbindungssteckern und Boards mit annähernd gleicher Funktionalität wie FCI, Amphenol bzw. die dritte Generation i7, 8GB ECC RAM u.a. doch erheblich sind. VPX ist um einiges kostenintensiver als CompactPCI Serial, bietet aber auch wie erwähnt mehr Möglichkeiten. Bei der Auswahl wird also immer im Vordergrund stehen, was die genaue Bedarfsanalyse für die jeweilige Anwendung ergibt, inklusive mittel- und langfristiger Planung hinsichtlich technischer Leistungsfähigkeit und investitionssicherer Wirtschaftlichkeit.

CompactPCI Serial ist einfach in der Handhabung, bietet eine hohe Kompatibilität, aber limitierte Optionen. Der Standard ist sehr wettbewerbsfähig und kann auch robuste, fordernde Anforderungen bedienen. Er spielt eine wichtige Rolle in der Automation und der Medizintechnik (aber auch in Transportation, beispielsweise in der Bahntechnik), vorwiegend in Europa und in Asien.

In den USA wird er hingegen bisher kaum eingesetzt. Hier gäbe es die Chance, mehr Akzeptanz zu generieren und Eingang in rauere Applikationen zu finden. So beispielsweise durch die Möglichkeiten, die er mit der ebenfalls definierten passiven Entwärmung (Conductive Cooling) eröffnet.

VPX bzw. OpenVPX ist extrem flexibel und komplex, jedoch nur begrenzt kompatibel und recht kostenintensiv. Aufgrund seiner etwas höheren Robustheit ist er bei militärischen Anwendungen und in der Luftfahrt sehr gut vertreten, vor allem in den USA. In anderen Anwendungen und Europa ist der Standard wenig verbreitet. In der Konsequenz ergibt sich Potenzial zu einer Verschiebung und zu einem Wachstum in Europa und auch im asiatischen Verteidigungsmarkt.

Das Format xTCA ist ideal für hochleistungsfähige, redundante Kommunikationsanwendungen und wird hier auch weiterhin erfolgreich sein. Obwohl komplex und kostenintensiv, besticht es mit einer sehr hohen Kompatibilität. Der Standard μTCA (.4) hat seine Nische in kleineren Anwendungen mit geringerer Kapazität und Leistung rund um den Globus gefunden, andere Applikationen kommen nur gelegentlich in Frage.

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Dieser Beitrag ist erschienen im Sonderheft Elektromechanik III der ELEKTRONIKPRAXIS (Download PDF)

* Alexander Jäger arbeitet im Produktmanagement des Geschäftsgebietes Elektronik bei HEITEC in Eckental.

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