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Die Rugged Computer on Modules von Congatec sind vor allem für den Einsatz in rauen Umgebungen geeignet.

Bild: iStock, FredFroese

Wie robust ist robust? Rugged Computer-on-Modules

14.04.2022

Gängige Computer-on-Modules haben den Arbeitsspeicher über SO-DIMM-Sockel integriert. Die Schock- und Vibrationsfestigkeit von Steckverbindungen sind begrenzt. So reichen schon bei konventionellen Speichermodulen schwache Vibrationen aus, um die Funktionssicherheit des Arbeitsspeichers zu beeinträchtigen. Applikationen mit hoher Schock- und Vibrationsbelastung brauchen deshalb robustere Auslegungen.

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Im Railcargo-Bereich treten beispielsweise Vibrationen von rund 0,002 g2/Hz in einem Frequenzbereich von 0 bis 350 Hz auf. Die Vibrationsbelastung in einem Düsenflugzeug ist mit 0,01 g2/Hz deutlich höher und reicht bis in Frequenzbereich von 2.000 Hz hinein. Systeme in LKWs sind noch stärkeren Belastungen von bis zu 0,02 g2/Hz ausgesetzt. Extreme Anforderungen stellen zudem Turbinen-Motoren, wie sie beispielsweise in Windkraftanlagen zum Einsatz kommen. Sie beanspruchen Komponenten sogar mit bis zu 0,03 g2/Hz.

Entwickler solcher und vieler weiterer mobilen und stationären Systeme mit Schock- und Vibrationsbelastungen von stationären 5G-Basisstationen bis hin zur Zügen und Drohnen suchen deshalb nach Lösungen, den Arbeitsspeicher besser zu fixieren. Hierbei kam es schon zu abenteuerlichsten Lösungen. So wurde teils geklebt und teils mit Riemen gegurtet oder auch Klammern gespannt, um zusätzliche Rückhaltemechanismen zu ermöglichen, damit der SO-DIMM funktionssicher bleibt und im Extremfall nicht aus seinem Sockel herausrutscht.

Dieser Ansatz hat jedoch auch ein Problem, das den Sockel selbst betrifft, wie von der Embedded Community bereits festgestellt wurde. Es besteht hier nämlich die begründete Sorge, dass die Bewegung des Speichermoduls innerhalb des Sockels – in der Regel einer der vergleichsweise preiswerten, handelsüblichen Sockel, die in Laptops verwendet werden – zu Unterbrechungen bei den Pin-Verbindungen führen kann, die wiederum ein System zum problematischen Absturz bringen können.

Keine Improvisation bitte

So gibt es unterschiedliche mechanische Lösungen, Speicherriegel sicher im Sockel zu fixieren. Hierfür fügen Speicherhersteller ihren SO-DIMMs Löcher am hinteren Ende des Moduls hinzu, die es ermöglichen, das RAM-Modul mit Schrauben zu fixieren, sodass Stöße und Vibrationen kein Problem mehr darstellen. Tests von diversen SO-DIMM-Herstellern haben hierbei ergeben, dass eine solche Konstruktion durchaus robust ist: Auf einer Rüttelplatte montiert lässt sich die Konstruktion problemlos 30 Minuten mit zufälligen Vibrationen von 50 Hz bis 5.000 Hz aussetzen bei einer Vibrationsstärke von 6 grms auf 20 grms in 2 grms-Schritten.

uch stellen Stöße mit 20 g – also dem 20-fachen der Erdbeschleunigung – über 1 ms entlang jeder der drei Achsen zusätzlich zu Vibrationen mit 0,04 g2/Hz im Bereich von 20 Hz bis 2.000 Hz kein Problem dar. Rein technisch erfüllen solche speziellen Lösungen also auch sehr robuste Anforderungen und das ist auch gut so, denn sonst würde man ja auch daran zweifeln, dass Computer-on-Modules selbst ebenfalls solche Tests überstehen. Alles was man für ein "rüttelfestes" also robustes System braucht, sind die entsprechenden mechanischen Fixierungen.

Standards als Lösungsweg?

Alles schön und gut und es gibt mit RS-DIMM seit 2010 sogar eine Spezifikation für Speicher als Mezzaninekarten, die alle Robustheitsanforderungen konform der ANSI/VITA 47 Spezifikationen erfüllen. Doch so gut die Ideen waren: Solche Technik hat nicht viele Abnehmer. Entsprechend findet man solche Mezzanine-Module kaum. Auch Rugged SO-DIMMs mit Montagelöchern sind nicht Massenware. Deshalb sind solche besonders robusten Module im Einkauf noch immer teurer, als normale.

Zudem sind sie aber auch mechanisch komplexer und infolge auch teurer in der Bestückung, da die Verschraubung in der Regel von Hand gemacht werden muss. Darüber hinaus erfordern sie auch noch zusätzliche Montagelöcher auf den Boards, was die Produktionskosten zusätzlich erhöht. Ideal ist folglich, all diese Add-Ons zu vermeiden und den Speicher einfach direkt auf das Modul zu löten. Dadurch entfallen mehrere Komponenten auf der Stückliste, die Fertigung wird kostengünstiger und allem voran ist die Robustheit hier auch zweifelsohne gegeben. Schock- und Vibrationstests des Arbeitsspeichers können entsprechend für die Qualifizierung der Systeme entfallen.

Hinzu kommt noch ein weiterer entscheidender Vorteil des gelöteten Speichers: Er lässt sich leichter kühlen als klassische Speicherriegel. Dies liegt zum einen an der besseren Entwärmung über das PCB selbst, auf dem er aufgelötet ist. Zum anderen können die Kühlkörper, die bei hohen Robustheitsanforderungen exakt auf die Topographie der Computer-on-Modules angepasst sind, durch eine wärmeleitende Verbindung den Hot-Spot Arbeitsspeicher zusätzlich effizient kühlen.

Gelötet ist besser!

Weltbewegend sind solche Lösungswege von der technischen Seite her nicht. Man kann schließlich alles auf eine Platine löten. Spannend wird es aber dann doch, wenn man sich den gesamten Aufwand anschaut, bis OEM zu einer wirklich robusten Lösung kommen und hier ist es vor allem überall dort, wo die Stückzahlen für einzelne Serien nicht in den Himmel schnellen, wichtig, dass man dennoch ein modulares Konzept hat.

Computer-on-Modules, deren Prozessor und Speicher perfekt aufeinander abgestimmt sind und die in mehreren Performanceklassen angeboten werden, sind hier der Königsweg. Sie kommen als applikationsfertige Komponente mit speziell angepassten Kühllösungen und allem anderen, was Entwickler für die Auslegung ihrer individuellen Systeme benötigen und sind über viele Jahre in identischer Bestückung verfügbar, was das Lifecycle-Management für OEM erleichtert.

Neuste Computer-on-Modules

Die COM Express Type 6 Computer-on-Modules auf Basis der aktuell 11. Generation Intel-Core-Prozessoren entsprechen der ETSI EN 300 019-1-7 und IEC 60721-3-7 Spezifikationen für portablen und nicht stationärem Einsatz von Telekom-Equipment und wurden hierfür speziell für kommerzielle 7K3, 7M2 und industrielle 7K4, 7M2 für Umgebungen geprüft.

Diese Klasse gilt auch für den Einsatz an nicht wettergeschützten Standorten in gemäßigtem Freiluftklima und für den Transfer zwischen diesen Bedingungen. Beispielsweise dort, wo die Geräte direkter Sonneneinstrahlung, Wärmestrahlung, Bewegungen der Umgebungsluft ausgesetzt sein können und Kondenswasser, Niederschlag, Wasser aus anderen Quellen als Regen und Vereisung auftauchen können und an denen Schimmelpilzwachstum oder Angriffe von Tieren, ausgenommen Termiten, auftreten können. Sie dürfen auch in städtischen Gebieten mit üblichen Schadstoffwerten zum Einsatz kommen mit über das gesamte Gebiet verstreuten industriellen Aktivitäten und/oder mit starkem Verkehr. Auch in unmittelbarer Nähe von Sand- oder Staubquellen ist der Einsatz zulässig.

Erfüllt alle relevanten Standards

In puncto Schock und Vibration eignen sie sich für den Einsatz für anspruchsvollen Transport- und Mobilitätsanwendungen bis hin zu Offroad- und Schienenfahrzeugen. Zudem halten sie im Dauerbetrieb selbst extremen Temperaturen (-40 bis 85 °C), hoher Feuchtigkeit und starken mechanischen Belastungen stand und erfüllen auch alle Anforderungen für den Brandschutz. Für preissensitivere Anwendungen eignet sich auch eine kostenoptimierte Intel-Celeron-Prozessor basierte Variante für den erweiterten Temperaturbereich von 0 °C bis 60 °C.

Typische Kunden für die neue Range an Computer-on-Modules auf Basis der Tiger-Lake-Mikroarchitektur sind OEMs von Zügen, Nutzfahrzeugen, Baumaschinen, landwirtschaftlichen Fahrzeugen, selbstfahrenden Robotern und vielen anderen mobilen Anwendungen in anspruchsvollsten Outdoor- und Off-Road-Umgebungen. Schock- und vibrationsresistente stationäre Devices sind ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich, da die Digitalisierung den Schutz kritischer Infrastrukturen (CIP) gegen Erdbeben und andere missionskritische Ereignisse erfordert.

All diese Anwendungen können nun von superschnellem LPDDR4X-RAM mit bis zu 4.266 MT/s profitieren, diese werden in fein abstuften Varianten von 32, 16, 8 und 4 GB als Standardvarianten angeboten. Je nach Bedarf können dabei die performantesten Module auch mit kleinerem Speicher oder leistungsschwächere Varianten auf Basis des Intel Core i3-1115G4E mit mehr als 8 GB RAM ausgerüstet werden.

Auch Varianten mit kostengünstigeren RAM-Bausteinen aber dafür langsameren Transferraten sind bereits ab Losen von 100 Stück problemlos möglich. Der In-Band-Fehlerkorrekturcode (IBECC) für Einzelfehlertoleranz und hohe Datenübertragungsqualität in EMI-kritischen Umgebungen unterstreicht das robuste Design der Module.

Robuste Systeme

Das Value-Paket beinhaltet zudem robuste Montageoptionen für das COM- und Carrier-Bundle, aktive und passive Kühloptionen, ein optionales Conformal Coating zum Schutz vor Korrosion durch Feuchtigkeit oder Kondensation sowie Schwefelungsschutz, eine Liste empfohlener Carrierboard-Auslegungen und – für höchste Zuverlässigkeit – schock- und vibrationsresistente Komponenten für den erweiterten Temperaturbereich.

Dieses technische Feature-Set wird durch ein umfassendes Service-Angebot ergänzt, das Schock- und Vibrationstests für kundenspezifische Systemdesigns, Temperatur-Screening- und High-Speed Signal-Compliance-Tests sowie Design-in-Services und alle erforderlichen Schulungen umfasst, die den Einsatz der Embedded Computer-Technologien vereinfachen.

Die Vorteile im Detail

Basierend auf den neuen stromsparenden High-Density Intel Core SoCs der 11. Generation bieten die neuen Module im Vergleich zu den Vorgängermodellen eine deutlich höhere CPU-Performance und eine fast dreifach höhere GPU-Leistung sowie State-of-the-Art PCIe Gen4 Unterstützung. Anspruchsvollste Grafik- und Datenverarbeitungs-Workloads profitieren von bis zu 4 Kernen, 8 Threads und bis zu 96 Grafik Execution Units für massiv-parallelen Verarbeitungsdurchsatz in ultra-robuster Auslegung. Die integrierte Grafik unterstützt nicht nur 8k-Displays oder viermal 4k; sie kann auch als parallele Verarbeitungseinheit für Convolutional Neural Networks (CNN) oder als KI- und Deep-Learning-Beschleuniger eingesetzt werden.

Die in der CPU integrierte Intel AVX-512-Befehlseinheit mit Unterstützung für Vector Neural Network Instructions (VNNI) ist ein weiteres Funktionselement der Plattformen zur Beschleunigung von KI-Anwendungen. Mit dem Intel OpenVINO Software-Toolkit, das optimierte Aufrufe für OpenCV, OpenCL-Kernel und andere Industrie-Tools und -Bibliotheken enthält, können Workloads über CPU-, GPU- und FPGA-Recheneinheiten erweitert werden, um KI-Workloads zu beschleunigen – einschließlich Computer-Vision, Audio und Spracherkennungssystemen.

Die TDP ist von 12 W bis 28 W skalierbar und ermöglicht vollständig geschlossene Systemdesigns mit rein passiver Kühlung. Die beeindruckende Performance des ultra-robusten COM Express Typ 6 Moduls conga-TC570r ist in einem echtzeitfähigen Design verfügbar und unterstützt Time Sensitive Networking (TSN), Time Coordinated Computing (TCC) und den Hypervisor von RTS Real-Time Systems für den Einsatz von virtuellen Maschinen und die Konsolidierung von Workloads in Edge-Computing-Szenarien.

Bildergalerie

  • 5G-Basisstationen müssen samt integrierter Technik Wind und Wetter trotzen.

    Bild: Congatec

  • Das COM Express Modul mit Intel-Core-Prozessoren der 11. Generation ist für raue Umgebungsbedingungen prädestiniert.

    Bild: Congatec

  • Spezielle Starter-Sets können auch zur Applikations-Evaluierung in rauen Umgebungen eingesetzt werden.

    Bild: Congatec

  • Sowohl 5G-Basisstationen als auch Windräder müssen Wind und Wetter trotzen.

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  • Züge, Nutzfahrzeuge, Baumaschinen und landwirtschaftliche Maschinen brauchen robuste Designs.

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  • Flugzeuge und Drohnen stellen mit die anspruchsvollsten Ansprüche hinsichtlich Schock und Vibration.

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