Bild 1: COMSys-Mainboard mit COM-Express-Modul.

Bild 1: COMSys-Mainboard mit COM-Express-Modul.TQ-Group

19-Zoll-Systeme nicht immer ersetzbar

19 Zoll Industrie-PC-Systeme passen sich den heutigen Anforderungen an und sind stehen im Wettbewerb mit Box-PCs. Die von TQ erhältlichen COMSys-basierenden 19-Zoll-Systeme sind sehr flexible und kompakte Lösungen zu einem günstigen Preis und als Serienprodukt in unterschiedlichen Leistungsklassen lieferbar.

Die Standards der 19-Zoll-Systeme sind um neuen Technologien wie zum Beispiel PCI Express ergänzt worden um den Anforderungen vom Markt gerecht zu werden. Welche Lösungen werden also im 19-Zoll-Format am Markt angeboten und wo werden diese sinnvoll eingesetzt?

6 HE hohe 19 Zoll Industrie-Gehäuse

Das obere Ende der 19 Zoll Industrie-PC-Technik stellt CompactPCI mit der Erweiterung um CompactPCI Express dar. CompactPCI ist ein absoluter Standard und unter der PICMG 2.0 registriert und verwaltet. Als absoluter Standard sind alle Komponenten kompatibel und untereinander austauschbar, auch unter verschiedenen Anbietern. Die Basis ist eine passive Backplane in einem 6 HE hohen 19 Zoll Industrie-Gehäuse. Ein umfassendes Angebot an CPU-, Speicher-, Schnittstellen- und sonstigen Erweiterungskarten ermöglicht die Konfiguration von nahezu allen Systemen, die vom Anwender gefordert sind. Das System ist für hohe bis höchste Anforderungen bezüglich Leistung, Robustheit und Ausfallsicherheit ausgelegt. Man spricht hier auch von 99,99 % Verfügbarkeit, die über redundante Baugruppen und mit einer Hot-Swap-Funktion ausgestattet sind, also die Möglichkeit, Karten während des Betriebes auszuwechseln.

Bild 2: Ein 6 HE hohes CompactPCI System von apra-norm

Bild 2: Ein 6 HE hohes CompactPCI System von apra-norm apra-norm

Diese hohe Verfügbarkeit ist unter anderem in den Bereichen Telekommunikation, Militär und Bahntechnik gefordert und kommt dort zum Einsatz. CompactPCI-Systeme sind in aller Regel im oberen Leistungssegment zu finden, mit der entsprechenden Rechnerleistung und dementsprechender Verlustleistung. Dadurch sind diese Systeme in aller Regel aktiv gekühlt. Die hohe Verfügbarkeit hat jedoch auch ihren Preis und verhindert so den Einsatz in vielen industriellen Anwendungen. CompactPCI-Systeme sind bereits lange im Markt und dennoch, wie unter anderem das Beispiel VMEbus-System zeigt auch noch lange im Markt verfügbar sein.

3 HE hohe 19 Zoll Industrie-PC-Gehäuse

In der Industrie kommt eine fast unübersichtliche Vielzahl an 19-Zoll-Systemen zum Einsatz. Hier gibt es zwei grundlegende Richtungen: Industrie-Motherboard- oder PICMG-1.0/1.3-Systeme. Industrie-Motherboards werden heute in den Formfaktoren Mini ITX, Micro ATX und ATX entwickelt und gefertigt und sie sind in allen Leistungsklassen verfügbar, das heißt, alle am Markt verfügbaren Prozessoren können eingesetzt werden. Die Erweiterungen erfolgen über entsprechende Steckkarten in einem PCI- und PCIe-Slot, deren Anzahl vom Platzangebot des Mainboards und dem eingesetzten Chipsatz abhängen. Industriemotherboard-Systeme können in Gehäusen ab 1 HE eingesetzt werden. Dann ist jedoch maximal eine Erweiterung mit einer PCI- oder PCIe-Karte möglich. Dabei ist die Karte jedoch in einer nicht optimalen thermischen Einbausituation angebracht, quasi über dem Prozessor. In aller Regel sind die Systeme aktiv gekühlt und als Standard in 3 HE hohen 19 Zoll Industrie-PC-Gehäusen eingebaut.

Bild 3: Ein 3 HE hohes Industrie-PC-System von apra-norm

Bild 3: Ein 3 HE hohes Industrie-PC-System von apra-normapra-norm

Auf der anderen Seite stehen PICMG-1.0- und PICMG-1.3-Systeme. Hier ist die Basis eine passive Backplane mit einer Anzahl x an PCI- und/oder PCIe- Steckplätzen. Als Prozessor-Board kommt eine PICMG-1.0-Slot-Karte oder eine PICMG-1.3-Slot-Karte zum Einsatz. Bei PICMG 1.0 ist der tragende Bus über die Backplane der PCI-Bus. Leistungsstärkere und neuere Systeme mit PICMG 1.3 nutzen PCI- und PCIe-Bus über die Backplane. Zusätzlich sind auf der Backplane Gigabit-Ethernet als weitere Schnittstelle realisiert, die ein Routing auf der Backplane ermöglicht, dadurch weniger Kabel im System benötigt und damit eine optimale Kühllösung ermöglicht. Zusätzlich sind weitere Spannungsversorgungspins auf der PICMG-1.3-Schnittstelle definiert, sodass auch bei höherer Leistung keine Zusatzversorgung der CPU-Karte über ein extra Kabel nötig ist. Die Erweiterungen erfolgen wie bei Industrial-Mainboards über entsprechende Erweiterungskarten, bei PICMG 1.0 ausschließlich PCI- Karten, bei PICMG 1.3 sowohl PCI- als auch PCIe-Karten. PICMG 1.0 und PICMG 1.3 können kompakter gebaut werden und unter Umständen in einer kompakteren 19-Zoll-Kassette untergebracht werden. Die meisten PICMG-1.0- und PICMG-1.3-Systeme sind aktiv gekühlt. Als Gehäuse kommen 3 HE hohe 19 Zoll Industrie-PC-Systeme oder 3-HE-Kassetten zum Einsatz. Alle PICMG Industrie-PC-Systeme können durch Ergänzung mit entsprechenden Karten an die neuen Anforderungen in der Anwendung angepasst werden. Eine Anpassung an die Rechenleistung erfolgt über den Tausch der CPU-Karte oder des Industrial-Mainboards, was jedoch relativ hohe Kosten nach sich zieht.

Embedded Building Blocks

Einen neuen und weiteren Weg zeigt die Intel-Initiative: das Embedded Building Blocks System. Es ermöglicht eine individuelle Lösung mit minimalen mechanischen Anpassungen. Die Komponenten der Embedded Building Blocks sind ein COM-Express-Modul und ein universelles Industrie-Mini-ITX-Mainboard. Über den Einsatz von COM-Express-Modulen wird die Skalierbarkeit des Systems garantiert. Außerdem sind die langfristige Lieferfähigkeit und die Industrietauglichkeit sicher gestellt. Auch neue Prozessoren sind umgehend als COM-Express-Modul am Markt verfügbar.

COMSys-Mainboard mit COM-Express-Modul

TQ stellt mit dem COMSys ein erstes Mainboard mit COM-Express-Modul in der Embedded Building Blocks Initiative vor. Die flache Bauweise ermöglicht eine einheitliche und wohl definierte thermische Anbindung an das Gehäuse und eine insgesamt sehr kompakte Bauweise. Eine Reihe von Standard-Schnittstellen sind bereits auf dem Board integriert. Hierzu zählen 2x Gigabit-Ethernet, 4x USB 2.0, RS-232, DVI (digital & analog) als externe Schnittstellen und LVDS, USB 2.0, SATA (Steckplatz für eine 2,5″-Platte), eSATA, Mini PCIe, CFAST und CF Card als interne Schnittstellen. Über eine in das Trägerboard integrierte Riser-Schnittstelle können Standard-PCI- und PCIe-Erweiterungskarten angebunden werden. Auf der internen Riser-Schnittstelle sind je nach eingesetztem COM-Express-Modul bis zu 4 PCI- und bis zu 2 PCIe-Erweiterungskarten möglich. Alle Schnittstellen sind nach einer Seite ausgerichtet und ermöglichen so den einfachen Einbau in ein 1 HE 19 Zoll Industrie-Gehäuse oder eine 6 HE hohe 19-Zoll-Kassette. Die Kühlung ist in aller Regel passiv und erfolgt durch optimale Anbindung an eine Gehäuseseite.
Beim Einbau in eine 19 Zoll 6-HE-Kassette kann die gesamte Seitenwand als Kühlfläche ausgebildet werden.

Bild 4: 6 HE Kassette im 19-Zoll-Format von apra-norm

Bild 4: 6 HE Kassette im 19-Zoll-Format von apra-norm

Bei 1-HE-Systemen wird die komplette Oberfläche des Systems als Kühlfläche genutzt. Dabei wird das in COM Express festgelegte Höhenprofil und die flache, einstöckige Steckerreihe des Mainboards genutzt, um eine definierte und optimale thermische Anbindung zu erreichen.

Bild 5: Beispiel eines 1 HE Systems.

Bild 5: Beispiel eines 1 HE Systems.apra-norm

Die Konstruktion ermöglicht ein direktes Anschrauben des Systems an die Kühlfläche und macht eine aufwendige mechanische Adaption überflüssig. Eine Anpassung an die Anforderungen der Anwendung erfolgt über einen Modultausch, eine kostengünstige Anpassung. Der zum Patent angemeldete interne Riser ermöglicht die Erweiterung um bis zu maximal 3 Erweiterungskarten in einem 1-HE-System und kann trotzdem, dank der kompakten Bauweise in einem 1 HE 19-Zoll-Gehäuse eingebaut werden.