Doppelte USB-Geschwindigkeit mit Standardmodulen

Meist ist das Design des Mainboards sehr speziell auf die Anwendung abgestimmt. Hier befindet sich das Kern-Know-how des Anwenders, etwa in einem FPGA zur Bilderzeugung eines Ultraschallgeräts. Die Zeitersparnis und Aufteilung des Gesamtdesigns in überschaubare Entwicklungsblöcke sind weitere Vorteile des Modulansatzes.

Auswahlmöglichkeit des Lieferanten

Bild 1: Skalierbarkeit: Standard-x86-Formfaktoren und Prozessorplattformen. TQ-Systems

Bild 2: COM Express Type 6 Pinout TQ-Systems

Bild 3: Verschiedene USB-Standards, Übertragungsraten und Steckervarianten. TQ-Systems

Bild 4: TQMx80UC und MB-COME6-3 mit USB-3.1-Gen-2-Schnittstellen (10 GBit/s) TQ-Systems

Bild 5: Konfigurierbare TDP und Rechenleistung TQ-Systems

Standardmodule bieten den Vorteil, dass diese von mehreren Herstellern angeboten werden. Dadurch besteht eine Auswahlmöglichkeit des Lieferanten, die bei proprietären Modulen nicht in diesem Maß gegeben ist. Es resultieren Kostenvorteile und auch die Möglichkeit, durch einen Lieferantenmix das Ausfallrisiko eines Lieferanten begrenzt zu halten. Auch der Aufwand der Basis-Softwareentwicklung im Bereich der Gerätetreiber ist geringer, da Standardmodule mit fertigen Treiberpaketen und Board Support Packages für die gängigen Betriebssysteme angeboten werden.

Ist das Design entwickelt, bestehend aus einem applikationsspezifischen Carrierboard und einem Standardmodul (zum Beispiel COM Express oder Smarc), kann das Modul nach ein paar Jahren durch ein neueres mit aktuellem Prozessor ausgetauscht werden, ohne das Mainboard, die Kühllösung oder das Gehäuse zu verändern. Dadurch können das Gesamtgerät und dessen Rechen- und Grafikleistung mühelos auf den neuesten Stand gebracht werden, ohne dass die gesamte Hardwareplattform neu entwickelt werden muss. Auch der Austausch gegen ein anderes Modul der gleichen Generation ist möglich, wenn beispielsweise statt zwei Rechenkernen vier Kerne benötigt werden. Eine skalierbare Familie von Geräteklassen mit Modulen unterschiedlicher Rechenleistung kann so leicht zusammengestellt werden. Dieses hohe Maß an Flexibilität, Erweiterbarkeit und Austauschbarkeit stellt einen großen Vorteil dar.

Skalierbarkeit über Prozessorgrenzen hinweg

Standardformfaktoren bieten die Möglichkeit der Skalierbarkeit über Prozessorgrenzen hinweg. Der Smarc-Standard wurde sowohl für Arm- als auch x86-Prozessoren geschaffen. Entsprechende Carrierboards, die beide Prozessorarchitekturen unterstützen, sind bereits verfügbar.

Darüber hinaus kann dadurch das Designrisiko reduziert werden, wenn zu Beginn noch nicht feststeht, welche Prozessorarchitektur den Anforderungen an die Rechenleistung genügen wird.

Beim COM-Express-Compact-Formfaktor stehen sowohl Intel-Atom- als auch Intel-Core-Prozessoren für ein breites Feld von Einsatzmöglichkeiten zur Verfügung. Sollten viele Peripheriegeräte oder eine externe Grafik- oder Framegrabber-Karte benötigt werden, bietet der COM-Express-Basic-Standard sowohl Intel-Core- als auch Intel-Xeon-Prozessoren an.

Perfect Match: COM Express Compact und die 8. Generation der Intel-Core-Prozessoren

Bisher haben wir über die Vorteile eines Standardmoduls gesprochen. Wichtig ist aber auch die Pinbelegung am Stecker zwischen Modul und Carrierboard. Ziel muss es sein, möglichst alle Signale und Funktionen des Prozessors dem Anwender zur Verfügung zu stellen. Bei einem Standardformfaktor wie COM Express Compact und dem Type 6 Pinout stehen 440 Pins mit wohldefinierter Funktion zur Verfügung.

Diese verfügbaren Pins passen sehr gut zur 8. Generation der Intel-Core-Prozessoren der UE-Serie. Praktisch alle Signale des Prozessors können dem Anwender über den COM-Express-Stecker zugänglich gemacht werden.

USB 3.1 Gen 2 mit Datenraten von 10 GBit/s

USB hat sich als Standardschnittstelle für eine Vielzahl von Peripheriegeräten durchgesetzt. Neben beispielsweise SSDs, Wi-Fi/BT-Modems oder USB-Sticks können auch Kameras, Tastatur und Maus angeschlossen werden.

Erstmalig wird USB 3.1 Gen 2 von den neuen Intel-Core-Prozessoren der 8. Generation unterstützt. USB 3.1 (Gen 1 oder Gen 2) ist der Nachfolger von USB 3.0. Dabei ist die Übertragungsrate von USB 3.1 Gen 1 und USB 3.0 identisch (5 GBit/s, Super Speed). USB 3.1 Gen 2 verdoppelt die Übertragungsrate auf 10 GBit/s (Super Speed Plus). USB 3.1 ist vollständig rückwärtskompatibel zu USB 3.0. Die COM-Express-Spezifikation Revision 3.0 unterstützt bisher nur USB 3.1 Gen 1 (5 GBit/s). Deshalb werden bestehende Carrier in der Regel diese neue Datenrate nicht unterstützen können. Besteht der Wunsch, die maximale Datenrate von 10 GBit/s der Anwendung zugänglich zu machen, ist ein neues Carrierboard-Design nötig. Beim TQMx80UC kann im BIOS USB 3.1 Gen 1 oder Gen 2 eingestellt werden, sodass das Modul mit USB 3.1 Gen 1 auch auf Legacy-Carrierboards eingesetzt werden kann.

Um USB 3.1 Gen 2 zu ermöglichen, gibt es einiges beim Design zu beachten, etwa die maximalen Leitungslängen und deren Verteilung auf Modul und Carrierboard sowie die Auswahl geeigneter COM-Express-Stecker, Redriver und Struktur sowie Aufbau der verwendeten Leiterplatte. Hier bietet die Verwendung eines Standardmoduls den Vorteil, dass die Modullieferanten beim Carrierboard-Design durch Schaltplan und Layoutreview unterstützen können.

COM-Express-Compact-Modul TQMx80UC

Das neue TQ-Modul im COM-Express-Compact-Formfaktor von 95 × 95 mm² bietet Intel-Core-Embedded-Prozessoren der 8. Generation und eignet sich besonders für Industriesteuerungen, Robotikanwendungen, Messtechnik, Medizintechnikgeräte sowie Point of Sales. Mit Embedded-Prozessoren der Intel-Core-UE-Serie kann je nach benötigter Funktionalität und Rechenleistung zwischen den CPU-Varianten i7-8665UE, i5-8365UE, i3-8145UE oder Celeron 4305UE mit zwei oder vier Rechenkernen ausgewählt werden. Mit einer thermischen Verlustleistung von 15 W stehen jetzt erstmals in dieser Leistungsklasse vier Rechenkerne zur Verfügung (bisher lediglich zwei bei der 7. Generation der U-Serie).

Das Speicherinterface ist mit der DDR4-2400-Technologie ausgestattet. Die Speicherkapazität kann je nach verwendeten SO-DIMM-Modulen zwischen 4 und 64 GB gewählt werden. Bis zu neun PCI-Express-Lanes (Gen 3) stehen für den Anschluss von bis zu fünf Peripheriegeräten zur Verfügung und können im BIOS flexibel konfiguriert werden.  Auch USB 3.1 Gen 2 wird unterstützt. Hierfür stehen vier Hochgeschwindigkeitsschnittstellen zur Verfügung. Außerdem ist erstmalig auf dem Modul eMMC-Flash in Größen zwischen 8 und 128 GB vorhanden.

Das COM-Express-Compact-Modul TQMx80UC ist mit den Abmessungen und dem Type-6-Pinout konform mit PICMG COM.0 R3.0 und wird durch das neue TQ-Mainboard MB-COME6-3 unterstützt.

Thema der nächsten Seite: Konfigurierbare Thermal Design Power

Bild 6: cTDP-Werte der Intel-Prozessoren der 8. Generation. TQ-Systems

Bild 7: BIOS-Eingabemaske zur Verwaltung der cTDP-Werte TQ-Systems

Bei Standardmodulen tritt oft der Fall ein, dass ein Modul nach ein paar Jahren im Einsatz durch ein neues, leistungsstärkeres ersetzt werden soll. Dabei sollten die Kühllösung und das Gehäuse möglichst unverändert bleiben, um den Gesamtentwicklungs- und Zulassungsaufwand begrenzt zu halten. Das aktive oder passive Kühldesign ist dabei in der Regel auf eine bestimmte Thermal Design Power (TDP) ausgelegt. Dies ist eine Rechengröße, die die maximale thermische Verlustleistung angibt, die von der CPU und dem Chipsatz generiert wird und die von der Kühllösung des Gesamtsystems unter Betriebsbedingungen an die Umgebung abgeführt werden muss. Der TDP-Wert ist dabei normalerweise nicht die größtmögliche thermische Verlustleistung, die der Prozessor zum Beispiel bei der Ausführung eines Performance-Benchmark-Programmes erreichen kann (thermische Spitzenleistung), sondern bezeichnet einen nominellen Wert, der reale Einsatzbedingungen darstellt. Dadurch ist sichergestellt, dass das System Applikationen unter realen Einsatzbedingungen zuverlässig kühlen kann, ohne dass die erlaubten Temperaturen im Halbleiter überschritten werden.

Bei den neuen Intel-Core-Prozessoren kann die Verlustleistung konfiguriert werden, Intel bezeichnet diese Funktion als Configurable TDP (cTDP).

Bei Intel-Core-Prozessoren mit cTDP ist diese im BIOS einstellbar. Durch Veränderung der Grundtaktfrequenz kann die erzielbare Rechenleistung und die TDP in gewissen Grenzen verändert beziehungsweise vor Systemstart eingestellt werden. Dadurch kann der Prozessor mit geringerer oder höherer Rechen- und Grafikleistung betrieben werden, je nach verfügbarer Kühllösung und erlaubter thermischer Verlustleistung. In der Regel werden drei Betriebszustände unterstützt:

• Nominale TDP: Dies entspricht der normalen Grundtaktfrequenz wie im Datenblatt angegeben.
• cTDP down: Falls eine leisere Betriebsart mit weniger thermischer Verlustleistung benötigt wird als die nominale TDP.
• cTDP up: Falls erweiterte Kühlung verfügbar ist, wird in diesem Modus eine höhere Taktfrequenz und Rechenleistung angeboten.

Somit sind mehrere TDP-Werte und eine Bandbreite von Rechenleistungen und Taktfrequenzen im System verfügbar. Als Beispiel führt die Tabelle in Bild 6 die cTDP-Werte der neuen Intel-Prozessoren der 8. Generation auf.

Beim i7-Prozessor können beispielsweise TDP-Werte von 12,5; 15 und 25 W eingestellt werden. Dabei variiert dann die Grundtaktfrequenz zwischen 1,3; 1,7 und 2,0 GHz.

Bei kurzzeitigen Rechenleistungsspitzen kann die Grundtaktfrequenz für kurze Zeit erheblich überschritten werden (Turbo Mode). Hierbei wird die Wärmekapazität des Prozessors ausgenutzt, da Energiemengen bis zur Abführung in die Kühllösung und die Umgebung lokal zwischengespeichert werden können, ohne die Junction-Temperatur zu überschreiten. Bild 7 zeigt eine typische BIOS-Eingabemaske zur Verwaltung der cTDP-Werte:

Das Configurable TDP Turbo Activating Ratio gibt die Taktfrequenz an, ab der der Turbo Mode aktiviert werden kann, zum Beispiel auf Anforderung des Betriebssystems. Bei einer Grundtaktfrequenz von 1,9 GHz kann diese etwa bei 1,8 GHz liegen. Bis 1,8 GHz kann die Frequenz dynamisch der aktuellen Last angepasst und auch längere Zeit so betrieben werden (Speed Stepping). Falls der Turbo Mode ausgeschaltet ist (BIOS-Option), kann die Grundtaktfrequenz nicht überschritten werden. Wird andererseits der Turbo Mode eingeschaltet, dann kann ab 1,8 GHz für eine begrenzte Zeit die Taktfrequenz bis zur maximalen Turbofrequenz erhöht werden, um kurzzeitige Spitzen der Rechenleistung zu erlauben. Um eine Überhitzung des Prozessors zu vermeiden, darf der Prozessor die Turbofrequenz nur sehr kontrolliert verwenden. Hierzu gibt es den Power Limit 1 (unbegrenzte Zeit), Power Limit 2 (kurze Zeit, zum Beispiel 10 s) und Power Limit 4 (sehr kurze Zeit, zum Beispiel 10 ms).

In obigem Beispiel (Bild 7) ist der nominale TDP-Wert wie folgt eingestellt:

Ratio:18          –> Grundtaktfrequenz 1,8 GHz

TAR: 17          –> Turbo-Aktivierung möglich ab 1,7 GHz

PL1: 15 W       –> Nominaler TDP-Wert ist 15 W im Langzeitbetrieb. Wichtigster Wert für die Benutzung von cTDP.

Ist PL1 auf 15 W eingestellt, so darf dieser Wert im Mittel über eine längere Beobachtungszeit nicht überschritten werden. Wird PL2 um mehr als 10 s überschritten, wird der aktuelle Prozessortakt sofort reduziert, genauso wenn PL4 um mehr als 10 ms überschritten wird. Durch diesen Mechanismus können für kurze Zeit sehr viel höhere thermische Verlustleistungen auftreten. Das Power Design muss auf diese kurzzeitigen hohen elektrischen Ströme ausgelegt sein. Zur Steuerung des Turbo Modes gibt es PL1 und PL2, die beide Grenzwerte darstellen, ab der der Turbo Mode abgeschaltet wird. Configurable TDP Control (CTC) definiert die niedrigste Taktfrequenz, auf die zurückgeschaltet wird, falls PL1 oder PL2 überschritten werden.

Mit diesen Leistungsmerkmalen der Modularität, USB mit 10 GBit/s und der konfigurierbaren TDP kann das TQMx80UC sehr gut in bestehende Lösungen integriert werden, Anwendungsbeispiele sind Workload Consolidation, Data Analytics und künstliche Intelligenz.

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