Durch gesunkene Preise für Prozessoren macht der Einsatz von SoMs auch bei
Projekten mit 5.000 und sogar 10.000 Stück pro Jahr Sinn.

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Fachbeitrag SoM und SBC: kaufen oder herstellen?

21.10.2015

Wann führt die Verwendung fertig zugekaufter Systems on Modules oder Small Board Computer zu einer Kostenersparnis im Vergleich zu einer Eigenentwicklung? Bei niedrigen Stückzahlen liegt dies auf der Hand. Was viele nicht wissen: Auch bei 10.000 Stück pro Jahr oder mehr kann ein fertiges Modul Kosten sparen.

System on Module (SoM), manchmal auch als Computer on Module (CoM) oder Small Board Computer (SBC) bezeichnet, sind dafür gedacht, an ein Träger- oder Basis-Board angeschlossen zu werden. Üblicherweise handelt es sich um ein kleines Modul mit CPU und Standard-I/O-Fähigkeit. Die komplexen Bemühungen, die mit der Konzeption eines CPU-Subsystems verbunden sind, werden vermieden, indem man die SoM-Funktion und ein handelsübliches Basis-Board verwendet. Woraus besteht nun das SoM?

  • Anwendungsprozessor von einem führenden Halbleiterunternehmen wie Freescale, Texas Instruments, Atmel, Qualcomm oder Altera

  • Sowohl Flash- (NAND/NOR) als auch RAM-Speicher (DDR2/3)

  • WiFi/Bluetooth

  • Gigabit PHY

  • Audio-Codec

  • PMIC (Power Management IC)

  • Touch Controller

Bei genauerem Hinsehen ähnelt das SoM-Blockdiagramm (vielleicht zu 70 Prozent) einem Blockdiagramm eines Mobiltelefons oder Tablets.

Heute wird die Frage nach einer Lösung per SoM in den meisten Entwicklungsunternehmen immer wieder gestellt, weil die Anforderungen hinsichtlich Geschwindigkeit und IoT-Fähigkeit Bestandteil jeder Diskussion ist. Fast jedes Segment möchte seinen Anwendungen ein „Mobiltelefon“ hinzufügen, und es gibt nur wenige Unternehmen auf der Welt, die wissen, wie man ein gutes Mobiltelefon entwickelt (Apple, Samsung, LG usw.). Aus diesem Grund sollten Unternehmen verstehen, dass sie nicht das Rad neu erfinden müssen.

Vor einigen Jahren war es sehr weit verbreitet, diese Lösung bei Projekten in geringer Anzahl (100 Stück bis 500 Stück pro Jahr) zu verwenden, aber in neuerer Zeit, in der die Preise für Prozessoren auf ARM-Kern-Basis deutlich gesunken sind (aufgrund des Mobilfunk- und Tablet-Markts, der den Kern so kostengünstig gemacht hat), verwenden die Kunden die SoMs auch bei Projekten mit 5.000 und sogar 10.000 Stück pro Jahr oder mehr. Im Beispiel in der Tabelle auf dieser Seite bezieht sich die Berechnung auf ein mikroprozessorbasiertes Modell mit einmalig anfallenden Entwicklungskosten bezogen auf zwei Personenjahre für Hardware, Software und Produktionstestentwicklung, sowie Prototypen, Fehlerbehebung und Softwarewartung für ein weiteres halbes Jahr.

Die Kosten pro Einheit nach dieser Zeit betragen etwa
40 US-Dollar. Verglichen damit gibt es bei Verwendung eines SoM keine Entwicklungskosten, die Prototypenentwicklung, Fehlerbehebung und Softwarewartung kosten nichts und der Preis pro Einheit ist derselbe.

Jegliche Bedenken der Hardwareentwickler, dass sie nicht mehr benötigt würden, sind unbegründet, weil ihr Hauptaugenmerk auf der Anwendungsplatine liegen sollte, die ihr geistiges Eigentum ist. Sie müssen mit der Prozessorplatine nicht das Rad neu erfinden, wenn sie eine funktionierende Plattform auf Basis der neuesten auf dem Markt erhältlichen Prozessoren von Texas Instruments, Altera, Freescale, Qualcomm und Atmel bekommen können. Alle diese Prozessoren basieren auf den neuesten ARM-Kernen von Cortex A5 bis Cortex A8 und A9 sowie Cortex A7 und Cortex A57.

Status Quo

Der SoM-Markt kann wie folgt gegliedert werden:

  • Architektur: ARM und x86

  • Formfaktor: ARM-basierte Lösung für SMARC, Q7 oder proprietäre (andere, wie COM Express, werden von x86 unterstützt und sind nicht ARM-basiert)

  • ARM-Kerntyp (Cortex A5, A7, A8, A9)

  • Betriebssystemunterstützung: Linux, Android, Windows Embedded

Architektur: ARM und x86

  • ARM – Bevorzugte Kerne, die in 90 Prozent der Mobiltelefone und in der Embedded-Community verwendet werden

  • x86 – Hauptsächlich von Intel unterstützt mit gängigen Lösungen auf der Basis der Produktfamilien Intel Atom und Core ix

Formfaktor

  • SMARC („Smart Mobility ARChitecture“) ist eine von der Standardization Group for Embedded Technologies e.V. (SGET) für Modulcomputer (CoMs) veröffentliche Spezifikation. Im Allgemeinen basieren SMARC-Module auf ARM-Prozessoren, sie können jedoch auch mit anderen SoC-Architekturen niedriger Leistung ausgestattet sein, wie denjenigen auf Basis von x86-SoCs. Typischerweise liegt der Leistungsbedarf von SMARC-Modulen im Bereich einiger Watt, was Zugänge zu Märkten öffnet, die bisher aufgrund von Prozessordesigns mit viel höherem Leistungsverbrauch nicht angesprochen werden konnten. Zwei Modulgrößen sind festgelegt: 82 mm x 50 mm und
    82 mm x 80 mm

  • Q7 – Qseven ist ein bekannter „legacy-free“ Standard für technologieunabhängige Computermodule mit kleinem Formfaktor, einschließlich standardisierter thermischer und mechanischer Schnittstellen. Qseven war der erste Standard, der die Technologien x86 und ARM in CoM-kompatiblen Umgebungen unterstützt hat. Die Größe beträgt 70 mm x 70 mm, und der Qseven-Standard wurde von SGeT übernommen.

  • Proprietär– Der proprietäre Formfaktor ist der beliebteste auf dem SoM-Markt, weil die meisten Kunden eine einzigartige Plattform für ihre Anwendungen wünschen. Er kann sehr klein sein oder jede für die Anwendung benötigte Form annehmen.

Auswahl des ARM-Kerns

Cortex-A5-Prozessor: Der Cortex-A5 ist der kleinste, kostengünstigste und am wenigsten Energie verbrauchende ARMv7-Anwendungsprozessor und wird von einer Reihe optimierter, IP-zielorientierter Lösungen im mittleren Bereich unterstützt, die die höchsten Effizienzgrade und einen einfachen Einbau mit sich bringen.

Beliebte Anwendungsprozessoren auf der Basis von Cortex A5 sind zum Beispiel die Produktfamilie Atmel SAMA5, die im Modulsystem AT-501 von Shiratech genutzt wird. AT-501 ist ein industrielles eingebettetes Modulsystem, das das optimale Gleichgewicht des leistungseffizientesten Cortex-A mit einer Hochleistungs-CPU(536 MHz) und einer Fließkommaeinheit bietet. Es verwendet 32-Bit-Speicher mit 166 MHz, 256 MB DDR2, erweiterbar auf 512 MB. NAND Flash mit 256 MB, erweiterbar bis 1 GB, und optional 4 GB eMMC. Cortex-A8-Prozessor: Der Cortex-A8 wurde 2005 als erster Prozessor, der die ARMv7-A-Architektur unterstützt, auf dem Markt eingeführt. Der Mali-400 bietet eine Grafikverarbeitungsoption im mittleren Bereich für den Cortex-A8. Der beliebteste Anwendungsprozessor auf der Basis von Cortex-A8 ist die Sitara-Familie AM33xx von TI, und ein Beispiel eines Modulsystems auf der Basis dieser Lösung ist der VAR-SOM-AM33 von Variscite (www.variscite.com). Der VAR-SOM-AM33 unterstützt den Prozessor Sitara AM335x ARM Cortex-A8 mit 1 GHz von Texas Instruments (TI) mit einem effizienten 2D/3D-Grafikbeschleuniger und bietet eine kostengünstige, leistungsstarke und flexible Auswahl über das volle Anwendungsspektrum. Seine Merkmale umfassen einen Temperaturbereich von -40 bis 85 °C und einen dualen CAN-Bus, was ihn ideal für Industrieanwendungen macht wie etwa den Automobilbereich, Kontrollsysteme, Beleuchtung, Motorsteuerung und Landwirtschaft. Mit dualem Ethernet, USB, Touchcontroller, Audio und Wi-Fi/BT ist der VAR-SOM-AM33 ein hochintegriertes Modulsystem in einem sehr attraktiven Preisbereich.

Cortex-A9-Prozessor: Der ARM-Prozessor Cortex-A9 ist eine ausgereifte Option, die 2008 eingeführt wurde, und ist immer noch eine sehr beliebte Wahl für das Internet der Dinge. Als Einzelprozessorlösung bietet der Cortex-A9-Prozessor insgesamt eine Leistungsverbesserung von weit über 50 Prozent im Vergleich zu Lösungen mit ARM Cortex-A8.

Die beliebtesten Familien auf der Basis von Cortex A9 sind Freescale i.MX6, der neueste Sitara AM4xxx von TI und die SoCs (Chipsysteme) von Altera. SECO bietet ein Q7-Modul namens QuadMo747-X/i.MX6, eine skalierbare Mehrkern-Modularlösung mit ARM-Cortex-A9-Architektur im Qseven-Standard, die eine hohe Grafikleistung mit leistungseffizienten Verarbeitungsfähigkeiten verbindet. OpenGL (FULL) und OpenES 2.0-3D-Grafik und Unterstützung für bis zu 3 eigenständige Anzeigen (nur bis zu 2 Anzeigen bei i.MX6DL und i.MX6S) ergibt eine flexible Lösung, die Plattformen mit mehreren Anzeigen und mobile lüfterlose Anwendungen ermöglicht.

Cortex-A7-Prozessor: Der leistungseffizienteste Mehrkernprozessor. Er wird in der Produktfamile Freescale Layerscape LS1 verwendet. Das erste Modulsystem auf der Basis dieser Lösung kam von der Firma SYSTEC Electronic in Deutschland, die ECUcore-1021 herstellt.

ECUcore-1021 ist ein kompaktes und kostengünstiges Modulsystem auf der Basis des Mikrocontrollers Freescale QorIQ LS1021A. Es wurde speziell für industrielle Netzwerkanwendungen entwickelt. Mit seiner hohen Dichte verfügbarer Kommunikationsschnittstellen und den beiden ARM-Cortex-A7-Kernen mit 1 GHz bietet das Modul eine hervorragende Leistung bei niedriger Verlustleistung.

Betriebssystemunterstützung

Das Modulsystem benötigt BSPs (Board Support Packages), die in der Lage sein müssen, eine Verbindung zwischen der Hardware und dem Betriebssystem herzustellen, mit dem der Endkunde entwickeln möchte. Die Hauptbetriebssysteme sind Linux, Android und Windows Embedded.

  • Yocto – Das Yocto-Projekt ist ein gemeinschaftliches Open-Source-Projekt, das Vorlagen, Tools und Methoden bietet, um Anwendern zu helfen, benutzerdefinierte Linux-basierte Systeme für eingebettete Produkte unabhängig von der Hardware-Architektur zu erstellen.

  • Ubuntu – Ein gemeinschaftlich entwickeltes Linux-basiertes Betriebssystem, und eine Open-Source-Linux-Distribution auf Debian-Basis

  • Linaro – Die gemeinnützige Entwicklungsorganisation, die Open-Source-Software für ARM-Anwendungen zusammenführt und optimiert

  • Android auf einem eingebetteten Gerät ist ein Mix aus Änderungen des Android-Open-Source-Projekts (AOSP) und des Kernel, auf dem es läuft, Linux.

  • Windows Embedded ist eine Familie von Betriebssystemen von Microsoft, die für die Anwendung in Embedded-Systemen entwickelt wurde.

Beschreibung des neuen Lösungsansatzes

Arrow Electronics begann 2013 ein Projekt in den USA und aktivierte es 2014 in EMEA, um den Blick auf den Modulsystemmarkt zu richten und die besten Lieferanten mit einer klaren Differenzierung und der Fähigkeit, verschiedene Regionen und Anwendungen zu unterstützen und zu ermitteln. Das Projekt wird durch Konzentration auf Lieferanten und den Markt angetrieben und bietet eine Lösung auf der Basis wichtiger Hersteller ausgewählt von Texas Instruments, Atmel, Freescale, Altera und Qualcomm. Die Vorzüge sind:

  • Niedrige Kosten: SoM (Modulsysteme) ab 29 EUR auf der Basis von Cortex-A5 von Atmel (SAMA5) und 32 US-Dollar-Lösung mit TI AM335x. Auch 40 US-Dollar auf der Basis von Freescale i.MX6 und der Familie Sitara AM49xx von TI

  • Hochwertigkeit: SoMs auf der Basis von Freescale Layerscape LS1 mit dualem Kern A7 und Altera-SoC-Lösung mit FPGA plus dualem Kern Cortex-A9

  • Community: BeagleBoard und BeagleBone, HummingBoard, UDOO und 96Boards

  • M2M / IoT: Cloud-basierte SoM-Lösung von Digi basiert auf Freescale i.MX6

  • Standard-Formfaktoren: SMARC von Shiratech auf der Basis des Altera-SoC und Q7 von Seco auf der Basis von i.MX6 von Freescale sowie von Inforce Computing auf der Basis von Qualcomm Snapdragon 600

Fazit

Viele eingebettete Entwicklungsprojekte erfordern heute ähnliche zugrundeliegende Verarbeitungs- und Kommunikationsfunktionen. Diese Fähigkeiten haben viel mit denen von Mobiltelefonen und anderen Großseriengeräten gemeinsam; das bedeutet, dass die Kosten einzelner Komponenten verringert wurden und die grundlegenden Board-Entwürfe vervollständigt wurden. Durch Auswahl aus einer Vielfalt bestehender Modulsysteme (SoMs) können Unternehmen ihre Entwicklungsbemühungen und Budgetpläne auf ihr eigenes geistiges Eigentum in dem Bewusstsein konzentrieren, dass eine erprobte Lösung die Basis ihrer Entwicklungsarbeit bildet.

Weitere Informationen zu Arrow Electronics finden Sie im Business-Profil auf der Seite 20.

Bildergalerie

  • Beispiel eines proprietären System On Module auf I.MX6-Basis

    Bild: Arrow

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