Nvent und Congatec entwickeln schlanken Controller für PXI-Express-Systeme

Für Gehäuse- und Backplanespezialisten wie Nvent Schroff stehen CPU-Baugruppen selten im Fokus. Jedoch sind sie Experten, wenn es darum geht, Highspeed-Schnittstellen wie PCI Express Gen 3 und 4 oder auch 25-GbE-Schnittstellen über längere Strecken zu routen. Dieses Hintergrundwissen, ermöglicht es dem Unternehmen, auch kundenspezifische Carrierboard-Designs zu entwickeln, die die CPU über Computer-on-Modules intergieren. Bei dem Design des Carrierboards liegt der Schwerpunkt nicht darauf, die komplexen Leiterbahnen von CPU, Arbeitsspeicher sowie die schnellen Kommunikationsbusse zu entflechten und – vor allem – auch nicht das umfangreiche BSP-Paket mit BIOS/UEFI und Treibern aufzusetzen und zu pflegen, sondern die Schnittstellen per High Speed Links an das COM-Modul anzuschließen. Durch den Einsatz von Computer on Modules fiel es deshalb auch leicht, deutlich flachere Baugruppen für den Systemcontroller bereitzustellen, als diese bislang verfügbar waren.

PXI Express ist strukturell anders aufgebaut

Für Backplane-Systeme die vom Aufbau her mit PXI vergleichbar sind, wie VPX, VME oder CompactPCI Serial gibt es einen solchen Mangel an flach-bauenden Systemcontrollern nicht, denn die CPU-Baugruppenhersteller, die sich auf die Anwendungsfelder konzentrieren, adressieren ihn regelmäßig. PXI Express ist jedoch strukturell anders aufgestellt. Experten für PXI sind Experten für Test- und Messsysteme. Ihre Schwerpunkte sind vor allem die Test-Software und die vielfältigen I/Os. Die zentralen Controllerbaugruppen sind eher Mittel zum Zweck. Daher nutzen sie häufig einfach ein Notebook oder einen Desktop-PC, den sie an das PXI-Express-Messsystem anschließen, das lediglich Erweiterungskarten beherbergt. Oder sie legen den Controller als PXI-Baugruppe direkt so umfangreich aus, dass er quasi alle Bedürfnisse erfüllt und häufig sogar übererfüllt. 3HE-CPU-Baugruppen für PXI sind deshalb in der Regel eher 8 oder 12 TE breit, während sie für VPX, VME oder CompactPCI Serial auch in schmalen 4TE verfügbar sind.

Möglichst viele TE sparen

Die beiden Carrier für COM-Express-Compact- und Basic-Module können bereits heute in 40 Bestückungsvarianten geliefert werden, beschränkt auf die aktuellen Prozessoren. Mit den langzeitverfügbaren Vorgänger-Modulen sind rund 100 Varianten möglich. Congatec

Viele Unternehmen nutzen bewusst solche umfangreichen Controller in 8 oder 12 TE, weil sie möglichst viele Anwendungsfälle abdecken können. Das funktioniert allerdings nur so lange, wie Platz keine kritische Anforderung ist. Oder solange die Stückzahlen pro dediziert zusammengestelltem Messsystem nicht so groß sind, dass auf jedes Bauelement geschaut werden muss, um Geld zu sparen. Es gibt aber viele Applikationen, bei denen Platz rar ist. Beispielsweise solche, bei denen die Baugruppen besonders flach bauen müssen, weil das System selbst nur 1HE oder 2 HE hoch werden soll. Typische Anwendungsfälle solcher platzsparenden Systeme finden sich im Automotive-Bereich, wo die Systeme in Prototypen installiert werden, damit die Entwickler ihre neuen Radar-, Lidar- und sonstige optische Sensoren testen können, die für autonomes Fahren gebraucht werden. In solchen Systemen müssen möglichst viele TE gespart werden, da die Breite der Baugruppe die Höhe des Systems bestimmt, weil sie nicht vertikal sondern horizontal verbaut wird.

Bei Baugruppen ist Platzsparen angesagt

Auch bei 8-Slot-3HE-Systemen ist Platz rar. CPU-Baugruppen mit 8 bis 12 TE blockieren schnell zwei bis drei Slots, sodass das System entweder breiter werden muss oder nur wenige Slots zur Erweiterung zur Verfügung stehen, was für so manche Test- und Messaufgaben nicht hinreichend ist. Wünschenswert ist es deshalb oft mehr I/Os auf kleinem Raum unterbringen zu können, um nicht doppelstöckig bauen zu müssen und so weiteren Platz im Rack zu belegen. So musste beispielsweise ein Anwender von Testsystemen im Flugzeugbau nochmals zusätzliche 3HE spendieren, um hier eigens einen IPC einzusetzen: diese 3HE hätte er sich sparen können, wäre die CPU-Baugruppe nur 4 TE groß und damit noch im I/O Rack zu verbauen gewesen. Ähnlich erging es auch einem Anwender, der Hochspannungs- und Isolationstests für Serienprodukte der industriellen Fertigung anbietet.

Ein solches Workaround ist bislang vielfach Standard. Häufig wird er mit Adapterkarten für den Systemslot adressiert. Diese führen PCI Express Lanes nach außen aus, sodass über externe Standard-Kabel auch ein ganz normales Notebook oder einen Desktop-PC angeschlossen werden kann. Solche Systemauslegungen sind allerdings unhandlich und wirken improvisiert und sind damit letztlich nur ein Behelf.

Wie Nvent und Congatec Platzproblem mit COM und Carrier lösen

Die Vorteile von Computer-on-Modulen im Überblick. Congatec

Zur Lösung dieses Platzproblems hat Nvent in Zusammenarbeit mit Congatec einen 3HE-60-mm-PXI-Carrier für COM-Express-Compact-Module entwickelt. Er wurde in einem ersten Schritt für das Conga-TC175 optimiert, um einen leistungsfähigen und kompakten Controller basierend auf der 7. Generation Intel-Core-Prozessoren zu realisieren. Zur Backplane hin wurden nur die für den PXI-Express-Systemaufbau erforderlichen PCIe Lanes geführt. Auf dem Frontpanel bietet die schlanke Plattform lediglich Displayport zur Displayanbindung, drei USB-Schnittstellen und zwei Ethernet- Schnittstellen und mit einem M.2 Slot für schnelle SSDs ist das Featureset dann auch schon abgeschlossen. Dadurch konnte ein äußerst schlanker und leistungsfähiger PXI-SBC geschaffen werden, der sich auf die Kernfunktionen konzentriert, die für eine zentrale CPU-Einheit in einem PXI-System gebraucht werden. Dank des modularen Aufbaus können Kunden heute bedarfsgerecht jedwede Intel-Core-Prozessorbestückung wählen, die mit einer maximalen TDP von 15 W auskommt. Dadurch konnte die Baugruppe sehr flach gebaut werden, um inklusive der Kühlung 4 TE einzuhalten.

Hohe Skalierbarkeit ohne Re-Design

Erweitert wird das Programm nun zudem um eine Variante mit dem Conga-TS370 im COM-Express-Basic-Format, das Intel-Core-Prozessortechnologie aktuell bis hin zu Sechs-Core-Lösungen der achten Generation erlaubt und so auch Systemaufbauten mit virtuellen Maschinen ermöglicht. Diese hohe Skalierbarkeit ohne Re-Design, selbst über Prozessorgenerationen hinweg, ist dabei ein großer Vorteil, da sich der Entwicklungsaufwand drastisch verringert. Kommende Lösungen auf Basis von COM-Express-Basic- und Compact-Modulen von Congatec kann Nvent dadurch mit äußerst niedrigem Entwicklungsaufwand als Off-the-Shelf Baugruppen schneller anbieten. Auch individuelle Varianten lassen sich durch das COM- und Carrier-Prinzip mit rechtfertigbarem Zeit- und Kostenaufwand realisieren. Mit den COM-Express-basierten Controllerbaugruppen für PXI-Systeme wurde somit ein Angebot geschaffen, das Lösungsanbieter von Full-Custom-PXI-Controllern wohl ausschließlich bei Massenserien kostengünstiger umsetzen könnten. Ein weiterer Vorteil, neue Prozessoren schneller implementieren zu können besteht darin, dass Module oftmals die ersten Produkte sind, die mit neuester Embedded-Prozessortechnik verfügbar werden und das schlanke Design letztlich auch kostengünstiger ist, als voll ausgebaute 8TE oder 12TE SBCs. Durch den modularen Ansatz können Anwender auf Basis des Carriers über die Module skalieren und so im Zweifel Preis und Performance besser ausbalancieren, da es innerhalb einer Modul-Serie einer Prozessorgeneration deutlich mehr Varianten gibt, als es ein PXI-CPU-Board-Hersteller mit Full-Custom-Designs anbieten könnte. Wachstumspotenzial ist zudem auch organisch gegeben. So wird erwartet, dass der globale Markt für PXI Source Measure Units (SMU) von rund 142 Millionen US-Dollar im Jahr 2018 auf 331 Millionen US-Dollar bis Ende 2025 bei einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 12,84 Prozent wachsen wird, wie Reporterliner im April 2020 bekanntgab. Fior Markets geht sogar von einem Wachstum von 16,5 Prozent aus.

Weitere Aussichten

Setzt sich das Konzept von Nvent durch, besteht auch das Potenzial, es im Test- und Messbereich für die Standards AXI und VXI anzubieten, die in der Summe zusammen mit PXI mit einem Anteil von rund 78 Prozent den Markt der sogenannten „Modular Instruments“ bilden, der bis 2027 3,11 Billionen US-Dollar erreichen soll. Ein nicht unerheblicher Teil entfällt dabei auf den Telekommunikationsmarkt, der rund 35 Prozent des Gesamtmarkts ausmacht. Weitere Märkte sind vor allem Luft- und Raumfahrt und Verteidigung, Automobilindustrie und Transport sowie Elektronik und Halbleiter. Auch der Ausbau des Angebots in Richtung VME, VPX und CompactPCI Express wäre eine Option. Für Nvent ist es aus strategischen Gründen derzeit jedoch nur dann eine Option, wenn andere Boardhersteller aus diesem Markt keine passenden Angebote machen können, wovon derzeit allerdings nicht auszugehen ist.

(neu)