Energieeffizient bei hoher Leistung

Die Entwicklung aktueller Industrieprodukte lässt sich durch den Einsatz standardisierter Computer-On-Module (COM), die direkt und schnell eine gewünschte Prozessortechnologie zur Verfügung stellen, deutlich optimieren. Die flexiblen Standardmodule sind in unterschiedlichen Varianten mit skalierbarer Leistung und einem breiten Angebot an Schnittstellen erhältlich. Abhängig von den Anforderungen der Anwendung kommen standardisierte Embedded-Module zum Einsatz, die den weit verbreiteten Formfaktoren wie SMARC, Qseven, COM Express und COM-HPC entsprechen. Das einsatzbereite Prozessormodul wird auf eine passende Trägerplatine gesteckt. Auf dem Modul sind alle anwendungsspezifischen Funktionen realisiert.

In den letzten Jahren hat die SMARC (Smart Mobility ARChitecture) -Spezifikation für kompakte Embedded-Module einen wahren Siegeszug erfahren. SMARC wird von der SGeT (Standardization Group for embedded Technologies) spezifiziert und ist für Anwendungen optimiert, bei denen es auf Kompaktheit und Energieeffizienz ankommt. SMARC-Module sind in den meisten Fällen mit ARM- bzw. x86-Prozessoren bestückt. Der preisoptimierte, robuste MXM-3 Stecker unterstützt hohe Übertragungsgeschwindigkeiten und bietet bei der aktuellen SMARC-2.1.1-Version 314 Pins für Gigabit Ethernet, PCI Express, USB 2.0 bzw. 3.0 und SATA. Die Dual-Channel-LVDS-Anschlüsse können alternativ als embedded DisplayPort (eDP) oder für MIPI DSI genutzt werden. Darüber hinaus sieht der MXM-3-Stecker reservierte Pins vor, die für zukünftige Ergänzungen durch weitere Schnittstellen vorgesehen sind. Der SMARC-Formfaktor definiert die beiden Modulgrößen 82 mm × 50 mm (short size) und 82 mm × 80 mm (full size), wobei sich vor allem die kleine Größe am Markt durchgesetzt hat.

Durch das wachsende Angebot an SMARC-Modulen, werden ständig neue Einsatzgebiete erschlossen, die von sehr energieeffizienten bis hin zu leistungsstarken Anwendungen reichen. Diese sind in den Bereichen Industrie, Transportwesen, Energietechnik, Gebäudeautomatisierung, Telekommunikation, Medizintechnik, IoT- und KI-basierende Systeme zu finden.

Eine Technologieplattform für unterschiedliche Anforderungen

Um für unterschiedliche Anforderungen über eine einzige Technologieplattform die am besten geeignete Lösung zu finden, spielt ein breites Produktprogramm eine große Rolle. Avnet Embedded setzt seit Jahren auf SMARC und bietet derzeit vierzehn Modulfamilien an. Diese basieren auf unterschiedlichen Prozessoren, die vom sehr günstigen NXP i.MX 6ULL über die NXP i.MX 8- und i.MX-9-Serien, Renesas RZ/G2UL, der Intel-Atom-x6000- und E3900-Serien bis zu den hoch performanten AMD Ryzen Embedded APUs reichen (Bild 1). Auf der Basis der jahrzehntelangen Erfahrung im Bereich Entwicklung und Fertigung leistungsfähiger Embedded-Lösungen können zeitgleich mit der Vorstellung neuer Prozessoren die ersten Prototypen des passenden Moduls geliefert werden.

Um die Entwicklung von Embedded-Software auf SMARC-2.1.1-Modulfamilien zu vereinfachen, stellt Avnet Embedded die /SimpleSwitch-Plattform zur Verfügung. /SimpleSwitch bietet Entwicklern die Möglichkeit, die Software-Applikationen zwischen unterschiedlichen Modulfamilien, z. B. innerhalb der i.MX-8M-Familie oder zwischen ARM- und x86-Boards, ohne Änderung einer einzigen Zeile Quellcode zu wechseln und schnell auf neue Marktanforderungen zu reagieren (Bild 2).

Avnet Embedded baut die Partnerschaft mit NXP Semiconductors weiter aus und bietet zahlreiche Baugruppen an, die auf Prozessoren von NXP Semiconductors basieren. Mit der Modulfamilie MSC SM2S-IMX93 werden die neuen i.MX-93-Applikationsprozessoren auf dem SMARC-2.1.1-Formfaktor unterstützt. Der i.MX 93 nutzt eine heterogene Multicore-Architektur, die bis zu zwei 1,7 GHz ARM Cortex A55 Cores, einen Cortex-M33-Echtzeitprozessor und eine 2D-Grafikprozessoreinheit (GPU) mit PXP Engine integriert. Die ARM Ethos-U65 microNPU (Neural Processing Unit) mit 256 MACs/Cycle unterstützt die Entwicklung von Machine-Learning (ML) -Anwendungen. Die i.MX-93-Prozessoren bieten Sicherheitsfunktionen mit integrierter EdgeLock Secure Enclave. Für eine Verlängerung der Batterielebenszeit in tragbaren Geräten sorgt die Energy-Flex-Architektur von NXP.

Typische Einsatzbereiche der MSC-SM2S-IMX93-Module sind u. a. Anwendungen in der Industrieautomatisierung wie HMI-Systeme, Maschinensteuerungen, Bilderkennungssysteme und Gateways. Weitere Einsatzgebiete sind Smart Home und Gebäudeautomatisierungslösungen, z. B. Wärmepumpen, Thermostate und Sicherheitssysteme. Darüber hinaus können die kompakten Module in Anwendungen der industriellen Transport- und Netzinfrastruktur beispielsweise Ladestationen, Umweltkontrollsysteme und Energiemessgeräte eingebaut werden.

Die Modulfamilie MSC SM2S-IMX8PLUS SMARC 2.1.1 ist das jüngste Mitglied an kompakten SMARC-Modulen, die auf der i.MX 8-Applikationsprozessorfamilie basieren. Neben MSC SM2S-IMX8PLUS sind die High-end-Module MSC SM2S-IMX8, MSC SM2S-IMX8M und die kostengünstigen Versionen MSC SM2S-IMX8MINI und MSC SM2S-IMX8NANO erhältlich.

Die auf den Modulen MSC SM2S-IMX8PLUS eingesetzten Applikationsprozessoren i.MX 8M Plus werden in einem 14-nm-LPC-FinFET-Prozess gefertigt und zeichnen sich durch einen geringen Energieverbrauch aus. Die Modulfamilie integriert Dual- und Quad-Core-ARM-Cortex-A53-Prozessoren mit bis zu 1,8 GHz, einen Echtzeitprozessor ARM Cortex-M7 mit 800 MHz und die Multimedia 2D/3D Graphics Processing Unit (GPU) GC7000UL mit OpenCL-Vulkan-Unterstützung. Es sind Varianten mit und ohne Video-Processing-Einheit (VPU), Machine-Learning-Beschleuniger (NPU) bzw. Image Signal Processor (ISP) lieferbar.

Das Angebot an Embedded-Schnittstellen umfasst neben USB 3.0, USB 2.0, zwei CAN-FD Ports und zwei Gigabit-Ethernet-Anschlüsse. Beide Ethernet-Schnittstellen unterstützen IEEE1588, eine bietet zusätzlich Support für TSN (Time-Sensitive Networking). Auf den Baugruppen sind die Grafikschnittstellen Single/Dual-channel LVDS, HDMI 2.0 und MIPI-DSI vorhanden. Über zwei MIPI CSI-2 x4 Ports lassen sich Kameramodule mit hoher Auflösung anschließen. Ausgelegt ist die kompakte Modulfamilie für einen Betrieb im vollen industriellen Temperaturbereich von -40 bis +85 °C.

Für den vollen industriellen Temperaturbereich von -40 bis +85 °C

Die beiden SMARC-2.1.1-Modulfamilien MSC SM2S-IMX8PLUS und MSC SM2S-IMX8MINI sind die ersten Cassini-konformen ARM-SystemReady-IR-IoT-Produkte. Das Cassini-Projekt wurde vom Prozessorhersteller ARM initiiert mit dem Ziel, den Einsatz von ARM-Prozessoren zu vereinfachen und spezielle Sicherheitsfunktionen zur Verfügung zu stellen. Cassini umfasst robuste Standards basierend auf dem ARM-SystemReady-Programm, Security APIs und Entwickler-Zertifizierungen dank PSA (Platform Security Architecture) und Parsec (Platform AbstRaction for SECurity) sowie Referenzlösungen. Mit diesen Features wird die Entwicklung der nächsten Generation an IoT- und KI-Anwendungen unterstützt.

Die steigende Nachfrage nach kompakten Embedded-Modulen mit geringer Verlustleistung gab für Avnet Embedded den Anstoß, das Produktprogramm weiter auszubauen. Die Familie MSC SM2S-IMX8ULP im Short-Size-Format (82 mm × 50 mm) basiert auf dem Crossover-Applikationsprozessor i.MX 8ULP von NXP Semiconductors (Bild 3). Die auf dem Board verbauten Komponenten und das Design sind auf sehr niedrige Verlustleitung bei gleichzeitig guter Rechenleistung ausgelegt.

Die Zielmärkte für die MSC SM2S-IMX-8ULP Module sind Anwendungen mit hohen Anforderungen an Energieeffizienz, die zudem sehr preissensitiv sind. Beispiele dafür sind batterie- bzw. solarbetriebene Systeme mit langen Laufzeiten, IoT-Edge-Produkte, sparsame Embedded-Steuerungen, Automation-Lösungen im Bereich Home & Building, Handheld- Test- und Messgeräte, mobile Medizinsysteme und tragbare Drucker. Die neue Generation von stromsparenden Modulen, die auf dem offenen SGET-Standard SMARC basieren, kommt auch in Anwendungen zum Einsatz, die in der Vergangenheit mit Mikrocontrollern (MCUs) oder Multichip-Lösungen realisiert wurden.

Um auf Standardmodulen zusätzliche Features zu bieten sowie neue Märkte und Anwendungen zu ermöglichen, ist Avnet Embedded im ARM-Bereich eine neue Partnerschaft mit Renesas eingegangen.

Im unteren Performance- und Preissegment bewegt sich die SMARC-2.1.1-Modulfamilie MSC SM2S-G2UL, die auf dem RZ/G2UL-Prozessor von Renesas basieren der einen ARM-Cortex-A55-Prozessor mit bis zu 1,0 GHz, einen Echtzeitprozessor ARM Cortex-M33 und eine Image-Prozessoreinheit integriert. Die Boards sind mit bis zu 2GB DDR4 SDRAM mit inline ECC und bis zu 256 GB eMMC Flash bestückt. Als Schnittstellen sind u. a. Gigabit Ethernet, USB 2.0, Dual CAN-FD, Dual-channel LVDS und MIPI CSI-2 verfügbar.

Die kompakte SMARC-Modulfamilie MSC SM2S-EL basiert auf den Prozessoren Multi-core Intel Atom x6000E Series bzw. Intel Pentium / Celeron N und J Series (Codename „Elkhart Lake“). Dank der stromsparenden 10-nm-Fertigungstechnologie der Prozessoren und der neuen Intel-Atom-Core-Architektur wurde im Vergleich zu den Vorgängerversionen eine deutliche Steigerung der Grafik- und Rechenleistung bei derselben Anzahl an Cores und ähnlicher Verlustleistung möglich.

Für den zuverlässigen 24/7-Dauerbetrieb

Die meisten Varianten der Modulfamilie MSC SM2S-EL sind für den erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +85 °C spezifiziert und für den zuverlässigen 24/7-Dauerbetrieb auch in rauen Industrieumgebungen oder im Außenbereich ausgelegt. Speziell für Netzwerkanwendungen bieten die Baugruppen eine hohe Echtzeitfähigkeit und zwei Gigabit-Ethernet-Schnittstellen mit Time-Sensitive Networking (TSN) und Intel-Time-Coordinated-Computing (TCC) -Unterstützung. Zusätzlich sind zwei CAN-FD-Schnittstellen vorhanden. Es lassen sich bis zu drei unabhängige Displays mit einer maximalen Auflösung von 4k ansteuern.

Zur Evaluierung und zum einfachen Design-In aller Embedded-Module stellt Avnet Embedded ein komplettes Ecosystem mit passenden Design Tools wie Starter Kit und Board Support Package (BSP) sowie umfangreiche Service Leistungen wie Design-in Support, Carrier Design Review und Temperatur-Screening zur Verfügung. Das Ziel ist, dass sich vielfältige Anwendungen in kurzer Zeit mit optimierter Time-to-Market realisieren lassen.

Avnet Embedded entwickelt ihr umfangreiches Angebot an skalierbaren SMARC-Modulen in den unternehmenseigenen Design Centern, die über ein umfassendes Know-how zur Entwicklung von Embedded-Produkten verfügen. Die kompakten Baugruppen werden in großen Stückzahlen in hochautomatisierten Produktionsstätten in Deutschland gefertigt. Avnet Embedded setzt auf Nachhaltigkeit, die bereits in der Entwicklungsphase beginnt und über eine klimaneutrale Fertigung hin bis zum Thema Langlebigkeit der Produkte reicht. (neu)