Qseven versus SMARC 2.0 – eine Entscheidungshilfe

Autor / Redakteur: Peter Eckelmann * / Margit Kuther

Wer heute eine neue Embedded-Entwicklung beginnt, hat die Wahl zwischen Qseven und SMARC 2.0. Aber was ist besser? Dieser Beitrag soll Ihnen helfen, die richtige Entscheidung für Ihre Applikation zu treffen.

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Bild 1: Qseven-Modul MSC Q7-AL mit Intels Atom-E3900-Prozessor.
Bild 1: Qseven-Modul MSC Q7-AL mit Intels Atom-E3900-Prozessor.
(Bild: Avnet)

Prozessormodule mit standardisierten Schnittstellen zum Trägerboard gibt es seit mehr als 15 Jahren, und ihre klaren Vorteile haben sie seitdem von Jahr zu Jahr erfolgreicher werden lassen: Deutliche Reduzierung der Entwicklungszeit und -kosten, Austauschbarkeit zwischen den Anbietern, Skalierbarkeit von Leistung und Preis sowie der Schutz vor Komponentenabkündigung sind nur die wichtigsten Gründe, sich für Computer-on-Module zu entscheiden.

Bei den leistungsfähigsten Prozessormodulen dominiert der COM-Express-Standard, während sich der Markt für Computermodule der mittleren bis unteren Leistungsklassen gerade in einem Umschwung befindet. Dominierte hier bisher der Qseven-Standard, so gibt es nun mit SMARC 2.0 einen Herausforderer, der sich mit deutlichen Vorteilen in den Vordergrund schiebt. Dieser Bericht fasst die Unterschiede zwischen beiden Standards zusammen und gibt einen Ausblick auf die Zukunft.

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Format und Anzahl der Pins

Während Qseven-Module den MXM-2-Konnektor mit 230 Pins verwenden, stehen SMARC-Modulen sogar 314 Pins des MXM-3-Konnektors zur Verfügung. Die 84 Anschlüsse, über die SMARC gegenüber Qseven mehr verfügt, sollen sich als der größte Vorteil des Standards herausstellen. Auch im Format gibt es Ähnlichkeiten: Qseven-Module gibt es im Standard-Format mit 70 mm x 70 mm aber auch als µQseven mit 70 mm x 40 mm, während SMARC-Module entweder 82 mm x 80 mm oder 82 mm x 50 mm groß sind. Da jeweils beide Modulvarianten auf denselben Carrier Boards verwendet werden können – sofern diese dafür vorbereitet und mit den geeigneten Bohrungen versehen wurden –, ergibt sich daraus eine beispielhafte Flexibilität, jeweils das beste, geeignetste und preisgünstigste Modul auswählen zu können.

Allerdings ist das µQseven-Format mit 2800 mm2 sehr klein und fasst nur die kleinsten Prozessorchips und wenig Speicher und Peripherie. Daher gibt es auf dem Markt nur sehr wenig Auswahl in diesem Format, während das Normalformat mit 4900 mm2 sehr populär ist und mit einer Vielzahl von CPU-Architekturen angeboten wird. Das kleine SMARC-Format weist bereits 4100 mm2 Fläche auf und ist daher gut geeignet für die meisten Prozessoren, sodass das große SMARC-Format mit 6560 mm2 nur dann ausgewählt wird, wenn leistungsfähige Prozessorvarianten mit besonders viel Peripherie bzw. Zusatzfeatures wie WLAN angeboten werden sollen.

Nicht vergessen werden sollte aber auch, dass im Regelfall der Kühlkörper zu jedem Modul nur maximal die Größe des jeweiligen Moduls haben kann, sodass die proportional zur Fläche wachsende Kühlleistung ebenfalls Einfluss auf die Auswahl des Modulformats nehmen kann. Bei den ARM- und Atom-Prozessoren der unteren und mittleren Leistungsklasse, die heute auf Qseven- und SMARC-Modulen angeboten werden, ist das Limit der Kühlbarkeit jedoch noch lange nicht erreicht.

Die ersten Qseven-Module kamen 2008 auf den Markt

Als 2008 der erste Atom-Prozessor von Intel herauskam, sollte er das Preisgefüge von x86-CPUs deutlich nach unten erweitern. Die damals gängigen COM-Formate (ETX, COM Express) waren zu teuer für solche Low-Cost-Prozessoren und wiesen auch nicht das optimale Feature-Set für diese neuen Chips auf. Daher setzten sich drei europäische Embedded-Firmen zusammen, um einen optimal passenden Modulstandard für Atom-Prozessoren zu definieren. Eine dieser Firmen war MSC (heute Avnet Integrated), und schon Ende 2008 gab es die ersten Qseven-Module mit den Intel Z5x0-CPUs.

Weitere Embedded-Hersteller gesellten sich zu dem Industrie-Konsortium „Qseven“ hinzu, und der neue Standard wurde eine spontane Erfolgsgeschichte. Mit der Rev. 1.2 des Standards wurde der Funktionsumfang verbessert und erweitert, um auch ARM-basierende Prozessoren optimal implementieren zu können. Und 2012 wurden die Geschicke des Qseven-Standards in die Hände der neu gegründeten SGeT e.V. (Standardization Group for Embedded Technologies) gelegt, die dann 2013 mit Qseven 2.0 eine wesentliche Modernisierung folgen ließ. Nun kannte Qseven auch USB 3.0, eDP, UART und weitere neue Signale.

In den ab 2015 folgenden Diskussionen zeigte es sich, dass der MXM-2-Konnektor mit 230 Pins den Engpass darstellte, der eine zusätzliche Öffnung des Standards für weitere neue Schnittstellen verhinderte. Daher wurden mit Qseven 2.1 nur noch marginale Verbesserungen eingeführt und ab 2015 mehr oder weniger alle Bemühungen eingestellt, Qseven noch weiter zu entwickeln, und von den meisten beteiligten Firmen auf den entstehenden Standard SMARC 2.0 gesetzt.

SMARC als Weiterentwicklung von Qseven

Ursprünglich als ULP-COM von zwei Embedded-Herstellern entwickelt, ging die Aufsicht über den Standard im Jahre 2012 an die SGeT-Gruppe über, die im Folgejahr die Spezifikation für SMARC V1.0 herausgab. SMARC steht für Smart Mobility ARChitecture und bezog sich anfangs einzig auf RISC (ARM) basierende Prozessorarchitekturen. Erst mit der SMARC Spezifikation V1.1 wurde der Standard auch für x86-Prozessoren erweitert.

Bei der Erarbeitung der massiven Änderungen für den Stand SMARC 2.0 beteiligten sich dann auch viele der Firmen, die bis zu diesem Zeitpunkt zum „Qseven-Lager“ gehört hatten, darunter auch Avnet Integrated (damals MSC). Der Mitte 2016 vorgestellte neue Standard SMARC 2.0 enthält folglich alle Erkenntnisse und Erfahrungen mit Qseven und SMARC, ist gleichermaßen für x86- und ARM-Prozessoren geeignet und wird heute allgemein als der umfassendste, zukunftssicherste und beste Modulstandard für Low-Power-Prozessoren angesehen.

Nahezu verschwenderische Signalvielfalt bei SMARC

Beim SMARC-Standard herrscht eine geradezu verschwenderische Vielfalt von Signalen, die insbesondere beim Einsatz in eingebetteten Systemen gegenüber Qseven punkten kann. Dennoch verfügt SMARC 2.0 immer noch über reservierte Pins, die für die spätere Modernisierung des Standards zurückbehalten wurden. Den Vergleich mit der Signalbelegung von Qseven zeigt Tabelle 1.

Besonders augenfällig sind die vielen parallelen Display-Signale von SMARC, die die Ansteuerung von bis zu drei Bildschirmen erlauben. Einige Prozessoren unterstützen die Aufspaltung der LVDS-Signale auf zwei Anzeigen, so dass hier sogar bis zu vier Bildschirme unabhängig angesteuert werden könnten. DisplayPort++ oder DP++ bezeichnet einen Dual-Mode DisplayPort Ausgang, der je nach Beschaltung DisplayPort, HDMI oder DVI ausgeben kann.

Ebenfalls punkten kann SMARC 2.0 bei den Kamera-Signalen, die gemäß dem CSI-Standard ausgeführt sind, der inzwischen auch in der Industriellen Elektronik angekommen ist. Hier werden zwei Schnittstellen parallel angeboten, von denen eine (CSI0) mit zwei Lanes ausgeführt ist und die zweite (CSI1) wahlweise aus zwei oder vier Lanes bestehen kann. Vier Lanes werden nur für besonders hoch auflösende Kameras benötigt, für die der SMARC-Standard also auch gerüstet ist.

Eine weitere Besonderheit findet sich bei den zwei Gigabit-Netzwerkschnittstellen, die SMARC anbietet. Beide sind mit den benötigten Triggersignalen ausgestattet, um damit optional Echtzeit-fähiges Ethernet nach IEEE1588 zu implementieren. Und auch die 12 GPIO-Signale (wahlweise Ein- oder Ausgang) verfügen über optionale Interrupt-Leitungen, damit das resultierende System über bessere Echtzeitfähigkeiten verfügen kann.

Die 4 seriellen Schnittstellen bestehen aus zwei mit optionalem Hardware-Handshake (4-Draht) und zwei mit jeweils nur zwei Signalleitungen. Von den sechs USB-Schnittstellen können zwei als USB 3.0 ausgeführt sein, wovon je ein USB 2.0 und ein USB 3.0 Port Client oder OTG sein kann. Jede der vier PCIe-Schnittstellen und die SATA-Schnittstelle können wahlweise über Support für Gen 2 und Gen 3 verfügen. SPI und eSPI liegen als getrennte Signalleitungen vor und können das Boot Device implementieren.

Zusammenfassung und Ausblick

Wer heute eine neue Embedded-Entwicklung beginnt, tut gut daran, sich SMARC 2.0 besonders genau anzusehen. Die Vielfalt der Schnittstellen kommt eingebetteten Systemen besonders entgegen, und hier ist derzeit die höchste Innovationsrate bei neuen Produkten zu finden. Die meisten Prozessorplattformen werden zuerst auf SMARC-Modulen angeboten und später – wenn überhaupt – auf Qseven. Der Support für Qseven wird sicherlich in den nächsten Jahren nicht abreißen, gibt es doch eine sehr große Zahl an Qseven-basierenden Systemen im Feld, die auch für die Zukunft neue und leistungsfähigere Prozessormodule benötigen.

Und in der Industrie ist man sich einig, dass Qseven-Module erst noch ihre höchsten Produktionsstückzahlen vor sich haben. Das liegt aber nur an der Verzögerung zwischen Entwicklungsbeginn und dem Erreichen der höchsten Produktionsstückzahlen. Beim Betrachten der Steigerungsraten bietet sich nämlich ein ganz anderes Bild. Hier führt seit einiger Zeit eindeutig der SMARC-2.0-Standard, was sich auch an der wachsenden Zahl der verschiedenen Prozessormodule nach diesem Standard zeigt. Bei Avnet Integrated, als MSC einer der Entwickler dieses Standards, gibt es neben dem kleinen SMARC-Modul mit NXP-i.MX6-Prozessor auch ein kleines und ein großes Modul mit dem Intel Atom E3900 („Apollo Lake“), bei denen sich das große Modul durch höhere Speicherbestückung und WLAN/BT-Funktionalität vom kleineren unterscheidet.

Ganz neu gibt es auch schon ein kleines Modul mit dem neuen NXP i.MX8M, dem demnächst weitere Module mit i.MX8 und i.MX8X an die Seite gestellt werden sollen. Und weiterhin befindet sich ein kleines SMARC-Modul mit Xilinx Zynq UltraScale Plus in der Vorbereitung, das durch seine FPGA-Programmierbarkeit und den leistungsstarken ARM Cortex-A53 ganz neue Perspektiven für die Entwicklung intelligenter Systeme eröffnet. Und ganz ohne Zweifel werden danach weitere leistungsfähige und intelligente Produkte folgen, die dabei helfen werden, den SMARC-Standard zur populärsten Plattform für Prozessorarchitekturen kleiner und mittlerer Leistung zu machen.

* Peter Eckelmann ist Product Marketing Manager, Board Solutions, bei MSC Technologies.

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