הגודל כן קובע

קיים טווח של מעגלים בעלי גודל קטן,  אך מהו הפורמט המתאים ליישום שלך?

Matin Danzer, Congatec

גורמי צורה קטנים אינם המצאה חדשה, אך הצורך להקטין את הגודל, המשקל וההספק, האיצו את הדרישה בתחום הזה והוסיפו למערכת כמה שיקולי תכנון חדשים. כרטיסי PC/104 יצרו כבר לפני שני עשורים לפחות מהפכה בתחום המחשבים התעשייתיים המודולריים, עם הגודל הקטן של 3.4 אינץ’  3.6 אינץ’, אך אם זאת, הרעיון של מודול בעל גורם צורה קטן (Small Form Factor – SFF) שוכפל והתפתח למבחר עצום – שכמעט לא ניתן לשלוט בו – של מעגלים קטנים ושל “תקנים” כביכול.
באופן כללי אפשר לסווג את המעגלים בעלי SFF לשלוש קבוצות עיקריות:
מחשבים בלוח יחיד (Single Board Computers – SBC) – מחשבים שבהם כל הפונקציונליות מתוכננת אל תוך מעגל יחיד ללא הרחבות נוספות.
מודולי מחשב ניתנים לחיבור זה מעל זה (Stackable Computer Modules – SCM) – (באופן מעשי אלו הם המודולים ממשפחת PC/104) – שאפשר להגדיר אותם בקונפיגורציה ממחשב ערום בעל לוח יחיד ועד מערכות עם אפיקי תקשורת רחבים עם אפשרויות הרחבה שרירותיות שממומשות על ידי מודולים סטנדרטיים.
מחשב על מודולים (Computer on Module – COM) – אשר דוחסים את פונקציות המחשוב העיקריות אל תוך מודול שעבר התקנה שמחובר אל מעגל בסיסי סטנדרטי או מעגל בסיסי שמתוכנן בהתאמה אישית.
התפתחותו של המודול COM מ- ETX עד Oseven.
מחשבי SBC מספקים את הרמה הגבוהה ביותר של אינטגרציה אנכית ועלויות ייצור נמוכות ביותר, במיוחד כאשר המדובר בהיקפים גדולים. אם אין זה אפשרי לרכוש מעגל בסיסי מהמדף, נראה שיש צורך ליצור מעגל מותאם באופן אישי שכולל את כל הפונקציות הנדרשות. המאמץ הכרוך בפיתוח הזה דורש השקעה משמעותית של זמן ומהנדסים בעלי כישורים, כתוצאה ממורכבותם של השבבים המהירים ביותר והזעירים מאוד הקיימים כיום – חלקם עם מרווחי פינים בגודל של 0.600 או 0.500 או אפילו 0.400 מ”מ על המעגל המודפס.
למודולי מחשב שניתנים לחיבור זה מעל זה, כלומר מחשבי משפחת PC/104, יש יתרון מפני שאפשר לרכוש כמעט כל דבר מהמדף. באופן כזה פיתוח החומרה הופך להיות קל ומצמצם את זמן הפיתוח, שכן, זה האחרון דורש מעט מאוד ממלאכת התכנון, הרכישה והחיבור. אם כך, מהם הנקודות השליליות כאן? המערכות של משפחת PC/104 מעולות למגזרי יישומים מסוימים שבהם יש דרישה לדבר מה פשוט וקשיח, כל עוד הדרישות עבור כוח המחשוב, ביצועים גרפיים והספק החום המרבי המתוכנן אינם גבוהים מדי. ואולם, התקורה הכרוכה במחברים ובמערכת גבוהה באופן יחסי, ורוב רובה של המערכת הסביבתית הקיימת עודה בתקן ISA. מאחר שהטכנולוגיה מתפתחת ומתרחקת מאפיקים בתקן ISA ומאפיקים מקביליים במהלך שני העשורים האחרונים, עולם המחשבים ממשפחת PC/104 שפעם היה אחיד, נסדק ליותר מדי קבוצות משנה של גרסאות ושדרוגים. כיום אפשר לקבל PC/104, PC/104-plus, PCI/104, PCI/104-Express, PCIe/104 ו-SUMIT-ISM. מבחר כזה מוביל לא פעם לצורך בעירוב ובהתאמה מאתגרים למדי בתוך המערכת הסביבתית. מה שפעם היה יתרון שאין לו תחליף, יכול להפוך להיות כיום, בפרוייקטים חדשים, לנטל כבד. רבים מבין המוצרים והרכיבים המסורתיים הגיעו לסוף חייהם וקשה להחליפם. הקירור, עלול אף הוא להיות מעט בעייתי מפני שההספק החומרני המתוכנן מוגבל. הדור הנוכחי של יחידות יע”מ (CPU, (Atom וסדרת G של AMD מהווים כיום את הבחירה הראשונה ולעתים אף היחידה עבור יישומים חסרי מאווררים בטווח הבינוני. עבור כמה יישומים, כמו למשל לוחות הפעלה המבנה הקובייתי יכול להוות בעיה, ונשארת השאלה: האם PCIe/104 או SUMIT-ISM ינצחו בסופו של דבר בתחרות והאם המערכת הסביבתית תלך בעקבותיהם?
באמצעות שימוש בתקנים מחשבים על מודולים (COM) קלים הרבה יותר לשימוש, אך רק ארבע משפחות הוכיחו שהן עומדות בתקנים של ממש ולא שהן רק מועדוני לוגו. אלו הן (1) משפחת ה- ETX עם (2) השיפור המוכח המשודרג – , (3) משפחה שנחשבת כיום כמובילה – ComExpress הבלעדית של השוק עבור מחשבי COM עבור טווח הביניים עד למחשבי COM בעלי יכולות גבוהות, ו- (4) משפחת Qseven החדשה באופן יחסי, אשר מהווה את הבחירה הראשונה ליישומים של מחשבי COM ניידים וניידים במיוחד להספק נמוך.

תרשים 1 משווה בין התכונות של משפחת COM

תרשים 2 מציג את אמות המידה לבחירת מחשב COM.

כל המשפחות המוזכרות לעיל נהנות מהיתרונות האופייניים של מחשבי COM:
מחשבי COM הם הדרך הקלה ביותר (ובדרך כלל גם היעילה ביותר) למיקור חוץ של “החלק הקשה” של טכנולוגיית המחשבים המתקדמת ביותר, עם רשתות הפינים העדינות במיוחד שלה, עם האותות הפועלים במהירות גבוהה ועם רגישות מיוחדת להפרעות EMC, שכן טכנולוגיות מחשבים בעלי יכולות גבוהות, בדרך כלל, אינן נחשבות ליכולות הליבה של רוב החברות. מחשבי COM מסופקים באינטגרציה גבוהה ומבטיחים מחזורי פיתוח קצרים. הפיצול שבין החלק הכללי (מחשבי COM) לבין החלק הייחודי ליישום (מעגל הבסיס) נותן אפשרויות גידול ושדרוג קלות לניהול. המעבר לטכנולוגיית המחשוב המתקדמת ביותר עם צריכת הספק פחותה ועם ביצועים גבוהים יותר יכולה להיות קלה כמו החלפה פשוטה של המודול. מחשבי COM עצמם הנם אוניברסאליים ואינם מוגבלים ליישום מסוים – על פני חברות ויישומים הם מצטברים למספרים גדולים ומכאן נובעים המחירים הנמוכים שלהם. כמויות גדולות יותר ומבחר עשיר יותר של יישומים מניבים גם פחות פגמי תכנון ואיכות מוצר גבוהה יותר של מחשבי COM.
כל היתרונות האלו הופכים את מחשבי COM לדרך היעילה ביותר שבאמצעותה אפשר לעמוד בקצב של המגמות הרווחות כיום לכיוון של מורכבות גבוהה יותר, גודל פיסי קטן, פחות משקל וצריכת הספק נמוכה יותר מהבחינה הטכנית, ולהפחתת עלויות וקיצור זמן היציאה לשוק מנקודת המבט המסחרית.
אפשר להחליט על תקן COM המתאים לך לפי דרישות קבוצת התכונות הנחוצות לתכנון היישום
תקן ETX, שיצא לשוק בשנת 1998, היה התקן האמיתי הראשון למחשבי COM. יש בו תמיכה מלאה בהתקני קלט / פלט ובמחשבי PS/2 המסורתיים ובגודל של 2.4 אינץ’  2.9 אינץ’. תקן ETX הפך להיות תקן מבוסס בשנת 2000 ובזכות ההספק הכולל המרבי שלו, 40 ואט, יש לו בסיס התקנה נרחב בעיקר במגזר שוקי האוטומציה והמחשוב התעשייתיים. תחומים אחרים שבהם יש למחשבי COM בתקן ETX בסיסי התקנה נרחבים הם התחום הרפואי, תחום התעבורה ותחום המשחקים (גיימינג). יחד עם תקן PC/104, תקן ETX הוא תקן הגודל הקטן (SFF) החשוב ביותר שיש לו תמיכת ISA בלתי מוגבלת. מודולי ETX משמשים כיום בעיקר בפרוייקטים ותיקים (מסורתיים) שיש בהם צורך לתמוך באפיק ISA שהוא בן יותר מעשרים שנה.
יישומים אופייניים שבהם נוצר צורך בתמיכת ISA הם בתחומי הבקרה והאוטומציה התעשייתיות. מאז סוף החיים של ערכת השבבים 855 של Intel, משמשים כיום מחשבי COM בתקן ETX במעבדים מהסוגים VIA, Geode או Atom. חלק מהמעגלים שנוצרו לאחרונה משתמשים במעבדי סדרה G של AMD ומשדרגים את ביצועי הגרפיקה באופן משמעותי.
תקן XTX יצא לשוק בשנת 2005 והוא שיפור של תקן ETX עם תאימות מלאה ועם תמיכה מובנית בתקן (SATA (4 חיבורי port ועם 4 חיבורי PCIe lane אשר מחליפים את אפיק במחבר הרביעי. כל אלה מאיצים את ביצועי הקלט / פלט מ-133 מגה-ביית בשנייה ל- 2.5 ג’יגה-סיביות לחיבור PCIe lane ומאפשרים שילוב של ממשקים מהירים ועדכניים על מעגל הבסיס. אם נדרשת תאימות ל- ETX ולא נדרש אפיק ISA, מעגל בתקן XTX הוא הבחירה הראשונה. נתיב זה דורש מאמץ מועט בלבד בשדרוג מתקן ETX לטכנולוגיה של ימינו ולמעבדי הביצועים הגבוהים שמעבר לערכת השבבים 855 והוא פתח לכוח המחשוב של הליבה הכפולה.
אפשר להשתמש בתקן XTX כבפלטפורמה התואמת לגודל הקטן למעבר חלק מתקן ISA ומטכנולוגיית PCI לאפיקים הטוריים המהירים של ימינו (PCIe). מגזרי השוק העיקריים הם מגזרי ETX הקלאסיים של מחשוב ובקרה תעשייתיות, המגזר הרפואי מגזר התעבורה והגיימינג.
תקן COM Express הוצא לשוק על ידי קבוצת PICMG בשנת 2005. המטרה העיקרית הייתה להוציא לשוק תקן אוניברסאלי, ניתן לשדרוג וחופשי מקשר למערכות ירושה עבור מחשבי COM. הממדים שהוגדרו מלכתחילה על ידי קבוצת PICMG היו 2.4 אינץ’  3.2 אינץ’ למעגל בסיסי ו- 2.6 אינץ’  3.9 אינץ’ למעגל המורחב. קבוצה גדולה של יצרני מחשבי COM Express הסכימה על הוספת גודל נוסף, הפופולרי ביותר, 2.4 אינץ’  2.4 אינץ’, מעגל קומפקטי, שהוא בערך בגודל של מעגל PC/104. נוסף על כך, לתכנון של מחבר חדש ולריבוי גרסאות הגודל יש כמה תכונות חדשות משמעותיות: 6 חיבורי PCIe-Lane, חיבור PEG Port עם 16 חיבורי PCIe-Lane נוספים, ממשק SDVO, ממשק רשת on-COM GBIT LAN ושינוי מתח האספקה מ- 5 וולט ל–12 וולט. פיזור ההספק הכולל (TDP) המרבי המותר עלה אף הוא מ- 40 וואט (לפי התקנים ETX ו- XTX) ל- 188 וואט (במעגל המורחב), והוא מאפשר שימוש בערכות שבבי המעבדים והגרפיקה המתקדמות ביותר ובעלות היכולת הרבה ביותר. COM Express, התקן המשוחרר מקשר למערכות ירושה ונדחף על ידי קבוצת PICMG, משמש כתקן מחשבי COM הפופולרי ביותר כיום, והוא בעל המערכת הסביבתית ותמיכת היצרנים העשירות ביותר. קיים מבחר גדול מאוד של מעבדי X86 משובצים עבור מחשבי COM אשר מתפרש בטווח בין Atom בעל הליבה היחידה להספק נמוך לבין i7 בעל ארבע הליבות והביצועים הגבוהים.
מגזרי השוק המתאימים הם גיימינג בטווח הבינוני והגבוה, המגזר הרפואי בטווח הבינוני והגבוה, חתימות ספרתיות בטווח הבינוני והגבוה, מחשוב תעשייתי, אוטומציה, תקשורת, תעבורה ומערכות POI / POS / kiosk מהטווח הגבוה.
Qseven הוא תקן מחשבי COM המתקדם ביותר. הוא נוצר על מנת לתמוך ביישומים בגודל פיסי קטן, בהספק נמוך ניידים וניידים ביותר. הוא מגדיר גודל של 1.6 אינץ’  1.8 אינץ’ ולא נדרש לו מחבר יקר ממעגל למעגל, אלא מחבר קצה זול אבל אמין בעל 230 פינים המשמש כחריץ התקנה MXM וידוע מתחום הכרטיסים הגרפיים למערכות ניידות. פיזור ההספק הכולל מוגבל ל- 12 וואט, אך חשובה יותר מכך העובדה שאספקת המתח מוגדרת ל- 5 וולט כך שהתקן נייד יכול לפעול ביעילות באמצעות שני תאי ליתיום. Qseven אינו תומך במערכות מסורתיות מעבר לאפיק PCI בעל 32 סיביות ושפת LPC, אך עם 4 חיבורי PCIe lane וללא PEG. מערכת גרפיקה על המעגל תומכת בשני חיבורי LVDS port ובחיבור SDVO (בשיתוף עם חיבור Port ל- HDMI ולתצוגה). ממשקים חדשים שנוספו הם CAN, SPI ו- Card SDIO והם מבטיחים גמישות מרבית עבור יישומים ניידים.

איור 1: התפתחות מחשבי COM מ–ETX אל Qseven.

איור 2: השוואת גודל של מחשב COM ממשי בתקן Qseven.

השוואת הגודל של מחשב COM בתקן Qseven
Qseven היא פלטפורמה שאינה עבור X86 בלבד. מעבדי ARM מוגדרים ונתמכים אף הם בגרסה המתקדמת ביותר. תכונה חדשה ושימושית ביותר היא ממשק API נפוץ לתוכנה המשמש עבור יישומים תעשייתיים, כמו למשל קוצב זמן “כלב שמירה” (watchdog), אפיק I2C, בקרת בהירות התצוגה, אזור אחסון מערכת BIOS ואפשרות קריאה של טמפרטורות במערכת. כל אלה מאפשרים מעבר קל ובטוח בין מעגלים מיצרנים שונים ללא צורך בהתאמות של תוכנה.
מגזרי השוק המועדפים של Qseven הם התקנים נישאים והתקנים בעלי ניידות גבוהה, מחשבי לוח אישיים, גיימינג ברמות הבסיסיות, מערכות רפואיות ברמת הבסיס וברמה הבינונית, מערכות חתימה ספרתיות ברמה הבסיסית, מחשוב תעשייתי, מחשוב תעשייתי בהספק נמוך, מערכות אוטומציה ומערכות תעבורה, התקני POI / POS / kiosk ניידים, וכל התקן מחשוב ב–X86 המופעל מסוללה או דרך רשת Ethernet .
על כן, הדרך שבה תוכל למצוא את מחשב COM בגודל קטן (SFF) המתאים לך קלה למדי:
ראשית בדוק את הדרישות למערכות מסורתיות ולתאימות.
אם נדרש לך חיבור ל- ISA, השתמש ב- ETX.
אם נדרשת לך תאימות ל- ETX ולא נדרש לך חיבור ל- ISA, השתמש ב- XTX.

תרשים 2 מציג את אמות המידה לבחירת מחשב COM.
בחר בתקן COM המתאים לך על פי הדרישות ההכרחיות בתכנון היישום.
אם אתה מתחיל פרוייקט חדש חופשי מקשר למערכות מסורתיות, סביר שתבחר בתקן COM Express או ב- Qseven לקבלת שימוש לטווח הארוך ביותר ובטכנולוגיה המתקדמת ביותר.
אם פיזור ההספק הכולל עולה על 12 וואט בחר ב- COM Express.
אם נדרש לך חיבור PEG Port כדי להשתמש בכרטיס גרפי חיצוני, בחר ב- COM Express.
אם אתה בונה התקן נישא, נייד או נייד ביותר, סביר שהבחירה המתאימה לך היא Qseven.
אם אתה שוקל להשתמש בפלטפורמה שאינה מבוססת X86, סביר שהבחירה המתאימה לך היא Qseven.
אם היישום שלך יפעל מסוללות או מאספקת מתח דרך רשת Ethernet , סביר שהבחירה המתאימה לך היא Qseven.
אם הגודל (הקטן) קובע בעיניך, סביר שהבחירה המתאימה לך היא Qseven.
לבסוף, זכור תמיד שכשמחליטים לבחור ב- COM, עדיין יש צורך במעגל בסיס. למחשב COM הטוב ביותר אין כל ערך ללא תמיכה טובה מהיצרן או מהמפיץ שלו.