SMARC und COM Express – Wahl des richtigen Formfaktors für x86

| Autor / Redakteur: Harald Schmidts * / Margit Kuther

Wahlmöglichkeiten: Je nach Leistungsanspruch bieten die Formfaktoren SMARC und COM Express für die E3900-SoC-Serie passende Möglichkeiten
Wahlmöglichkeiten: Je nach Leistungsanspruch bieten die Formfaktoren SMARC und COM Express für die E3900-SoC-Serie passende Möglichkeiten (Bild: TQ-Systems)

Dieser Artikel bietet einen Überblick über wichtige Modulstandards im Verlustleistungsbereich der passiven Kühllösungen (bis 15 Watt TDP) und vergleicht deren Eigenschaften und Vor- und Nachteile.

Im Vergleich zum monolithischen Single-Board-Computer bietet der Ansatz der Computer-on-Module bessere Skalierbarkeit, die Möglichkeit des Upgrades und ein reichhaltiges Ökosystem. So kann bei SMARC-Modulen bei bestehendem Mainboard von ARM-SoCs bis zu x86-Plattformen in Rechen- und Verlustleistung skaliert werden. Beim COM Express Pinout Type 6 stehen die Formfaktoren COM Express Basic und COM Express Compact zur Verfügung. Reicht im Verlauf des Lebenszyklus der Geräteanwendung die Rechenleistung nicht mehr aus, gestaltet sich ein Upgrade schnell und effizient. Man ersetzt das Modul durch eine neuere Generation, während das Mainboard, die Kühllösung und das Gehäuse erhalten bleiben.

In diesem Zusammenhang bietet Intels Atom-Produktfamilie eine gute Balance zwischen reichhaltigen Funktionen sowie Rechen- und Grafikleistung auf der einen und kleinstmöglicher elektrischer Verlustleistung auf der anderen Seite. Die Produktfamilie der E3900-SoC-Serie stellt die neueste Atom-Generation dar, die bis zu drei unabhängige Bildschirme mit einer Auflösung von jeweils bis zu 4K/UHD unterstützt. Das Embedded-DisplayPort-Signal für interne Displays unterstützt Bildschirmauflösungen bis zu 3840 x 2160 Bildpunkten bei einer Bildwiederholrate von 60 Hz. Für externe Monitore stehen zusätzlich DisplayPort (4096 x 2160@60 Hz) oder HDMI (3840 x 2160@30 Hz) zur Verfügung. LVDS-Bildschirme werden in der Regel mittels zwischengeschalteter eDP-zu-LVDS-Bridge bis zur Full-HD-Auflösung (1920 x 1080@60 Hz) unterstützt.

Die bekanntesten Computer-on-Module-Formfaktoren bis 15 Watt TDP sind COM Express Compact, COM Express Mini und SMARC. Die Standards PC/104 und Qseven werden hier nicht betrachtet, da sie veraltet sind. Tabelle 1 vergleicht die Produkteigenschaften typischer Modulprodukte. Jeweils einfach vorhanden sind bei allen Modulen ein internes Display (LVDS/eDP), externes Display (DP/HDMI), GbE, Onboard eMMC, TPM, HDA, I²C, SMBus und SPI.

Höhenprofile im Vergleich: SMARC vs. COM Express Mini

Der SMARC-Standard richtet sich an Anwendungen, bei denen eine geringe Bauhöhe von großer Bedeutung ist, beispielsweise portable Industriegeräte, Medizin-Tablets oder Notebooks. Die folgende Grafik zeigt den Aufbau des SMARC-Carrierboards, des Moduls und des Heatspreaders. Auf dem Modul wird ein Heatspreader mit einer Höhe von 3 mm montiert, der zur Anbindung der passiven Kühllösung dient. Die Mindesthöhe der MXM3-Steckverbinder beträgt 1,5 mm. Daraus ergibt sich eine kleinstmögliche Kompletthöhe von 5,7 mm plus 3,0 mm von der Oberkante des Carriers bis zum Heatspreader

Im Vergleich zum COM Express Mini besteht ein deutlicher Höhenunterschied. Nach den COM-Express-Spezifikationen beträgt die Verbinderhöhe entweder 5 mm oder 8 mm (typisches Beispiel), die Standardhöhe des Heatspreaders beträgt 13 mm. Das Ergebnis ist eine Kompletthöhe zwischen 18 mm und 21 mm. Kommt ein niedriger Heatspreader mit 8 mm zum Einsatz, kann eine Höhe zwischen 13 mm und 16 mm erreicht werden.

COM Express Compact (95x95mm, Pinout Type 6, 440 Pins) und COM Express Mini (84x55mm, Pinout Type 10, 220 Pins) verwenden typischerweise eine ATX-Eingangsspannung von 4,75 Volt bis 20 Volt und eine I/O-Spannung von 3,3 Volt. Bei x86-SMARC (82x50mm, MXM3-Stecker, 314 Pins) werden 5 Volt Eingangsspannung beziehungsweise 1,8 Volt I/O-Spannung verwendet. Dies hat Auswirkungen auf das Leistungsdesign sowie auf die elektrische Verlustleistung des Moduls.

Moderne Laptops verwenden oft SO-DIMMs (Small Outline Dual Inline Memory Module) als Aufsteckmodule für den internen DRAM-Speicher. Für Embedded-Designs wird andererseits gerne ein gelöteter Speicher verwendet. Die Vorteile der SO-DIMM-Technologie liegen in der Austauschbarkeit, Erweiterbarkeit und in manchen Fällen im günstigeren Preis. Andererseits verfügt ein gelöteter Speicher über einen besseren Stoß- und Vibrationsresistenz und ist für Schutzlackierungen (Conformal Coating) geeignet. Die Speicherperformance hängt dagegen im Allgemeinen nicht von der gewählten Befestigungsmethode ab.

Aktivitätsfaktor zur Ausfall-sicherheit beachten

Für die Ausfallsicherheit spielt neben Art des Einsatzes die geplante mittlere Betriebsdauer pro Tag eine wichtige Rolle (der sogenannte Aktivitätsfaktor). Bei modernen Consumer-PCs oder Laptops geht man in etwa von 20 bis 30 Prozent Nutzungsdauer pro 24 Stunden aus, Tendenz ist steigend. 100 Prozent bedeutet also einen Betrieb rund um die Uhr.

Bei der Auswahl der passenden CPUs sind Einsatzgebiet und geforderte Ausfallsicherheit von maßgeblicher Bedeutung. Die SoCs der Atom E3900-Serie (E3950, E3940, E3930) weisen bei einem Betrieb im erweiterten Temperaturbereich von -40°C bis +85°C bei einem Aktivitätsfaktor von 100 Prozent („Always on“) eine statistische Lebensdauer von zehn Jahren auf. Die Pentium und Celeron SKUs (N4200 und N3350) erreichen bei Aktivität zwischen 20 und 30 Prozent im Standardtemperaturbereich (0°C bis 70°C) dagegen eine statistische Lebensdauer von fünf Jahren.

Leistungsvergleich zur vorigen Generation

Die SoCs der Intel Atom Serie stellen eine deutliche Verbesserung der Rechenleistung gegenüber der Vorgängergenerationen dar. Der verbreitete Benchmark CPU Mark basiert auf Rechenleistungstests mit Integer- und Floating-Point-Berechnungen, Kompressionen und Verschlüsselungsalgorithmen. Die Atom SKU D2550 (32 nm Lithografie, zwei Cores) wurde im CPU Mark mit 675 bewertet. Die nächste Intel Atom Generation der E3800-Serie mit Quad-Core-Architektur erhöht die maximal verfügbare Rechenleistung auf das Doppelte, während die E3900-Serie abermals zwischen 30 bis 50 Prozent mehr Rechenleistung liefert, der CPU Mark vom E3950 liegt bei 1804.

* Harald Schmidts ist Produktmanager x86 bei TQ-Systems in Seefeld.

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Mit seiner Meinung, dass QSeven veraltet ist, dürfte der Autor wohl ziemlich alleine da stehen....  lesen
posted am 18.10.2018 um 10:45 von ibw-oberhaching


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