Seit mehr als zehn Jahren haben sich Computermodule (COM) in der Entwicklung von Systemen und Geräten etabliert. Sie verkürzen die Entwicklungszeiten und Kosten und bieten gleichzeitig eine höhere Flexibilität und Skalierbarkeit. Entwickler können sich so auf ihre Kernkompetenzen konzentrieren und die benötigte Prozessortechnologie in der passenden Form zukaufen. Dabei sind allerdings vor allem die ersten Standards wie ETX und die Weiterentwicklung XTX längst nicht mehr auf dem aktuellen Stand, da sich die Chiptechnologie seit der Einführung dieser Standards zum Teil dramatisch verändert hat. Und selbst COM Express als marktführender Standard - und vor allem bei leistungshungrigen Systemen auf x86-Basis nach wie vor die erste Wahl - muss aufgrund seiner langen Historie technologische Kompromisse eingehen. So erlaubt der Standard beispielsweise einen maximalen Leistungsverbrauch von 137 Watt, während aktuelle Prozessoren inzwischen weniger als 5 Watt benötigen.
Es ist erstaunlich, wie es der offene Computer-On-Module-Formfaktor geschafft hat, sich in kürzester Zeit auf breiter Basis zu etablieren. Mehr als zwanzig internationale Modulhersteller bieten inzwischen insgesamt über 100 Qseven-Module für die unterschiedlichsten Prozessoren aus der x86- und ARM-Welt an.
Die Embedded-Welt schrumpft
Generell entwickeln sich die Märkte derzeit in Richtung kleiner und mobiler Anwendungen mit geringem Stromverbrauch. Industrielle Systeme passen sich mit ihren grafischen Benutzeroberflächen immer mehr der Smartphone- und Tablet-Welt an, wie man sie aus dem Consumer-Bereich kennt. Vor diesem Hintergrund wurde 2009 Qseven als neuer und offener Standard eingeführt, der sich inzwischen trotz der Konkurrenz durch immer kleiner werdende COM-Express-Formfaktoren in der x86-Welt gut etabliert hat. Da Qseven von Anfang an als Multi-Plattform-Standard konzipiert wurde, waren nur minimale Erweiterungen nötig, um den Standard mit der Revision 1.20 im Sommer 2010 auch für die ARM-Plattform offiziell freigeben zu können. Damit ist Qseven der einzige im Markt etablierte Standard, der ARM und x86 unterstützt.
Für mobile Anwendungen entwickelt
Der Name des Standards leitet sich aus der Modulgröße von sieben Zentimetern im Quadrat ab. Diese Grundfläche erlaubt die Entwicklung einer leistungsfähigen und äußerst stromsparenden Plattform mit umfangreicher Schnittstellenausstattung bei gleichzeitig kompakter Bauweise, um auch die Integration in Handheld-Geräte zu ermöglichen. Was besonders für Qseven spricht, sind das moderne Konzept ohne Altlasten, das an die speziellen Bedürfnisse kompakter und ultrakompakter Geräte angepasste Steckerkonzept und die lüfterlose Kühlung.
Anders als bei den meisten bisherigen Modul-Standards kommt bei Qseven kein teurer Board-to-Board-Steckverbinder, sondern ein preiswerter MXM-Karten-Stecker mit 230 Pins im 0,5-mm-Raster mit standardisierter, herstellerübergreifender PIN-Belegung zum Einsatz. Dieser Stecker wird bereits für schnelle Notebook-Grafikkarten eingesetzt und ist daher für die hohen Datenübertragungsraten von PCI Express Graphics spezifiziert. Trotz seiner kleinen Bauweise ist der Stecker sehr robust konstruiert. Er wird in vier verschiedenen Bauhöhen und sogar in einer gedrehten Variante angeboten. Der Stecker wird lediglich am Carrier-Board benötigt, die Kontakte am CPU-Modul werden direkt auf der Platine realisiert und verursachen so keine zusätzlichen Kosten.
Kleiner Leistungshunger
Die Leistungsaufnahme von Qseven-Modulen wurde mit maximal 12 Watt an moderne Mobiltechnologien angepasst. Mit 5 Watt liegen viele aktuelle Module allerdings deutlich unter dieser Obergrenze. Die Spannungsversorgung von Qseven wird über leicht zu handhabende 5 V definiert. Diese Spannung ist üblicherweise schon auf dem Trägerboard vorhanden. Um die erweiterten Stromsparmöglichkeiten nutzen zu können, sollte noch eine 5-V-Standby-Spannung zur Verfügung stehen. Alle Signale zur einfachen Realisierung von batteriebetriebenen Geräten sind bereits im Standard definiert. Auch 5 Watt Leistungsaufnahme erzeugt Wärme, die abgeleitet werden muss. Im oberen Bereich der Qseven-Module wird ein 5 mm breiter Wärmeableit-Streifen freigelassen. Alle internen und externen Lagen der Platine auf dieser Fläche sind massiv Kupfer und mit zahlreichen Durchkontaktierungen thermisch verbunden. Die internen Lagen werden dann teilweise flächig zu den wärmeerzeugenden Komponenten wie CPU, Chipsatz und Speicher geführt.
Da keine gesockelten, ausschließlich gelötete Bauteile zum Einsatz kommen, wird die erzeugte Wärme zum Teil auf die Platine übertragen und von dort über die Kupferlage zum Wärmeableit-Streifen transportiert. Den Abschluss bildet der Heatspreader, eine rund 3mm starke Aluminium- oder Kupferplatte. Es wird die Wärme des Moduls auf das Gesamtsystem verteilt. Ab dem Heatspreader entwärmen die üblichen Kühlkonzepte das Gesamtsystem.
Standard ohne Altlasten
Qseven definiert nur aktuelle Schnittstellen, um Features heutiger und zukünftiger Chipset/CPU-Kombinationen zu unterstützen. Folgende Interfaces sind bei Qseven definiert: 4x PCI Express x 1 Lanes, 2x SATA, 6x USB 2.0, maximal 2x USB 3.0, 2x SDIO, I²C Bus, High Definition Audio und 1x Gigabit Ethernet. An Graphic Interfaces werden LVDS 2x24 Bit, SDVO, Display Port und HDMI bereitgestellt. Darüber hinaus sind Qseven-Computermodule mit zusätzlichen Funktionen für industrielle Anwendungen ausgestattet. Beispiele hierfür sind Watchdog Timer, LDC-Helligkeitskontrolle, BIOS-User-Speicherbereiche oder auch das Auslesen von Systemtemperaturen. Um für diese Funktionen ein einheitliches Software-Interface zu erreichen, wurde in der Qseven-Spezifikation das EAPI der PICMG implementiert. Das Embedded Application Programming Interface ist die plattformübergreifende Middleware, die den Zugriff und Steuerung von Hardware-Ressourcen in Embedded-Applikationen deutlich vereinfacht. Qseven-Module unterschiedlicher Hersteller können damit ohne Änderungen an Hard- und Software flexibel untereinander ausgetauscht werden.
Es ist abzusehen, dass die Entwicklung künftig noch stromsparendere X86- und ARM-Prozessorplattformen bringen wird. Anders als die bisherigen Modul-Standards ist QSeven klar auf mobile und batteriebetriebene Anwendungen ausgelegt und die Schnittstellen-Ausstattung ist zukunftsorientiert an die modernsten mobilen Chipsätze angepasst.
