Vielseitigkeit beim Computing Leistungsstarke Computer-on-Modules für CompactPCI Serial, VPX und VME

Modulare Backplane-Designs sind ein schon lange gängiges Designprinzip, das es Entwicklern sehr einfach macht, dedizierte Plattformen zu konfigurieren, indem einfach verschiedene Boards in ein System eingesteckt werden. Die ersten Embedded-Computer dieser Art wurden von Unternehmen wie Siemens schon im letzten Jahrtausend auf AT/ISA96 umgesetzt. Mit Unterstützung der Standardisierungsgremien wie der PICMG und der VITA bahnte sich der Backplane-Ansatz für Systemdesigns seinen Weg in viele verschiedene Märkte, von der Luft- und Raumfahrt über Computer für Behörden und Sicherheitsaufgaben bis hin zum Transportwesen und der industriellen Automatisierung sowie Broadcasting und Telekommunikation auf Carrier-Niveau.

Im Jahr 2018 hielten die Single-Board-Computer für Backplane-Systeme etwa 33 Prozent des gesamten Embedded-Board-Marktes. Der Systemintegrationsmarkt hatte fast die gleiche Größe, denn er machte beispielsweise rund 45 Prozent des gesamten CompactPCI-Serial-Markts aus. Analoge Werte kann man damit auch für andere Formfaktorstandards vermuten.

Analysten prognostizieren zudem eine steigende Nachfrage nach anwendungsspezifischen Anpassungen, sowohl auf Software- als auch auf Hardware-Level. Systemintegrations- und Customization-Services sollen daher jährlich bis 2025 mit mehr als zwölf Prozent wachsen.

Das CPU-Board ist entscheidend

Während es jedoch I/O-Boards in vielen erdenklichen Auslegungen gibt, sodass es leicht fällt, passende Boards zu beschaffen, ist die spezifische Auslegung des CPU-Boards kritischer. Hier läuft es auf die Frage hinaus: Können OEMs mit Commercial-off-the-shelf (COTS) verfügbaren Standard-Boards arbeiten oder benötigen sie eine Plattform, die auf ihre spezifischen Anforderungen zugeschnitten ist?

Oft haben die Standard-Boards ein sehr umfangreiches und deshalb in vielen Applikationen nicht vollumfänglich benötigtes breites Schnittstellenangebot. Wenn für die Endanwendung nur kleine Produktionslose benötigt werden, ist es akzeptabel, für Schnittstellen zu bezahlen, die eigentlich nicht benötigt werden. Bei größeren Stückzahlen wird es jedoch wichtig, alle nicht benötigten Komponenten zu eliminieren.

Neben dem Kostenfaktor geht es auch um Platzeinsparungen: Stellt das CPU-Board nur die tatsächlich benötigten Funktionen bereit, kann das Board-Design – und damit das gesamte System – kompakter ausfallen. Aber lohnt es sich, für jeden Bedarf eine neue Variante eines Standard-Boards entwickeln? Infolge wäre nämlich auch für jede neue Prozessorgeneration eine neue Variante erforderlich – inklusive aller damit verbundenen NRE-Kosten!

Findige Systemintegratoren sind deshalb tiefer in die Evaluierung neuer Lösungswege eingestiegen und bieten heute neben der Systemkonfiguration immer häufiger auch eine applikationsspezifische Auslegung der CPU-Boards an. Sie nutzen hierzu jedoch kein teures Full-Custom-Design, sondern standardisierte Computer-on-Modules auf individuell ausgelegten Carrierboards. OEM-Kunden profitieren dadurch von erheblichen Kosteneinsparungen bei der Serienfertigung ihrer Backplane-Systeme.

Auf die Kundenanforderungen maßgeschneidert

Computer-on-Modules sind zugegebenermaßen nicht die beste Wahl, wenn auch ein Standard-Board mit einem akzeptablen Preis und nur wenigen überflüssigen Schnittstellen eingesetzt werden kann. Aber je mehr kundenspezifische Anpassungen gefordert sind, um eine passgenaue Lösung für die OEM-Applikation zu erreichen, desto attraktiver wird der Ansatz mit Computer-on-Module und dediziertem Carrierboard für Standards wie CompactPCI Serial, VPX und VME. Denn ein solches Design kann auch verschiedene kundenspezifische Schnittstellen direkt auf dem CPU-Board unterstützen. Für diese wird dann auch kein dediziertes I/O-Board mehr benötigt, was alternativ mit entsprechenden Kosten verbunden wäre.

Ein weiterer entscheidender Vorteil ist die Tatsache, dass das Design nicht mehr an eine bestimmte Prozessorauslegung gebunden ist. OEMs und industrielle Endanwender können die CPU auf dem anwendungsspezifischen Carrierboard über einen einfachen Modultausch bedarfsgerecht skalieren. Dies ist für die Umsetzung ganzer Systemfamilien vorteilhaft. Eine gesamte Prozessorfamilie mit breiter Performance-Skalierbarkeit kann so auf Basis eines einzigen Carrierboards geschaffen werden.

Entwickler können auch auf Third-Party-Modulhersteller für mehr Unabhängigkeit zurückgreifen, und letztlich lassen sich sogar völlig neue Prozessorgenerationen nachrüsten. Selbst eine problemlose Skalierung über Arm- und x86-Prozessoren hinweg ist möglich, wenn man die Computer-on-Module-Standards nutzt, die explizit beide Optionen unterstützen.

Höherer ROI und mehr Nachhaltigkeit

Ist ein solcher dedizierter Carrier erst einmal entwickelt, können Applikationen viele Jahre lang auf ein und derselben Carrierboard-Konfiguration betrieben werden, was eine extreme Skalierbarkeit und Langlebigkeit über mehrere Prozessor-Generationen hinweg ermöglicht. Solche Designs bieten einen hervorragenden ROI und deutlich reduzierte NRE-Kosten. Zudem sind sie auch noch sehr nachhaltig: Wird ein Performance-Upgrade benötigt oder ein Prozessor obsolet, muss lediglich das Modul ausgetauscht werden; alles andere lässt sich weiterverwenden.

Entwickler von Edge-Systemen für Telekommunikationslösungen auf Carrier-Niveau schätzen, dass ein Performance-Upgrade einer Fog-Server-Konfiguration mit Computer-on-Modules nur rund 50 Prozent der ursprünglichen Anfangsinvestition kostet. Es ist leicht nachvollziehbar, dass im Gegenzug der Entsorgungsaufwand für Altgeräte noch deutlicher abnimmt, da circa 85 Prozent der gesamten Hardware weiterverwendet werden kann.

Dies ist ein echter Vorteil für Unternehmen, die zum Beispiel Edge Computing „as a Service“ anbieten, da ihr Geschäftsmodell nicht mehr im Verkauf kompletter Systeme basiert. Es ist interessant zu sehen, dass hier ökonomische und ökologische Argumente Hand in Hand arbeiten und nicht im Widerspruch zueinander stehen.

Ass im Ärmel

Warum wurden solche Systemdesigns also nicht schon früher umgesetzt? Der Grund könnte darin liegen, dass Embedded-Computing-Anbieter mit einem breiten Plattform-Portfolio kein Interesse an der Wiederverwendung von Modul-Formfaktoren auf Standard-Embedded-Motherboards oder SBCs haben. Oftmals sind verschiedene und miteinander konkurrierende Abteilungen für die unterschiedlichen Designs verantwortlich. Aber die Zeiten ändern sich, und einige Systemintegratoren, wie beispielsweise Recab, eröffnen ihren OEM-Kunden nun diese Möglichkeit.

Das Unternehmen bietet OEMs alles, was sie benötigen, von Services für die Systemintegration bis hin zu Carrierboard-Designs. Das Einzige, was sie nicht selbst umsetzen, ist das Design der dedizierten CPU-Boards. Sie arbeiten stattdessen lieber mit COMs und können so auf den Support der führenden Embedded-CPU-Board-Anbieter zurückgreifen.

Mit seiner langjährigen Erfahrung bei Integration und Anpassungen von VME-, VPX- und CompactPCI-Serial-Systemen ist Recab daher auch die richtige Adresse, um eine Antwort auf die entscheidende Frage zu geben: Benötige ich ein Standard-CPU-Board, eine kundenspezifische Variante oder ein COM- und Carrier-Design für mein OEM-System? Immer häufiger ist COM und Carrier die richtige Antwort, da solche Designs die spezifischen Anforderungen von OEM-Systemen oft besser erfüllen und darüber hinaus langfristig auch eine weitaus größere Nachhaltigkeit und einen höheren ROI bieten.

Ausgelegt auf die Edge

Recab hat bereits seit mehreren Jahren solche COM- und Carrier-Designs in verschiedenen Branchen im Einsatz. Die jüngst umgesetzte Plattform besteht aus einem COM-Express-Modul auf einem ultrarobusten Carrierboard. Sie ist speziell auf die Anforderungen der Öl- und Gasindustrie zugeschnitten.

In diesem Markt besteht ein großer Bedarf, die digitale Transformation sowohl im sogenannten Upstream- als auch im Midstream-Sektor zu verbessern – also bei der Gewinnung und Transport. Beide Sektoren sind gekennzeichnet durch verteilte Installationen und Infrastrukturen unter rauen Umgebungsbedingungen. Deshalb benötigen sie ultrarobuste Embedded-Plattformen, mit denen sich das enorme Einsparpotenzial der digitalen Transformation ausschöpfen lässt.

Die International Energy Agency schätzt, dass die Digitalisierung die Produktionskosten im Öl- und Gassektor um bis zu 20 Prozent senken kann. Laut der Wirtschaftsprüfungs- und Beratungsgesellschaft PwC ergibt sich ein großes Einsparpotenzial durch effizientere Wartung und bessere Auslastung der Anlagen.

Weitere Einsparpotenziale können in der Lieferkette durch den Einsatz von Künstlicher Intelligenz und integrierten Plattformen erzielt werden, die Organisationen mit externen Partnern verbinden. Durch die Digitalisierung dieser Prozesse sollten die Unternehmen im Upstream- und Midstream-Segment potenziell bis zu eine Billion US-Dollar an Kapital- und Betriebskosten einsparen können.

Digitalisierung: ein Mega-Markt

Die neue Recab-Plattform wurde genau für die Anforderungen des Upstream- und Midstream-Sektors der Öl- und Gasindustrie entwickelt. Sie unterstützt den erweiterten Temperaturbereich und verfügt optional über eine Schutzlackierung, die vor Salzwasser und auch Kondensfeuchtigkeit schützt, die bei großen Temperaturschwankungen entsteht. Darüber hinaus bietet sie umfassende RAS-Funktionen (Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Wartbarkeit) der Serverklasse, mit denen OEMs Tausende von Edge-Computern zuverlässig aus der Ferne verwalten können.

Als Multicore-Designs mit derzeit bis zu sechs Prozessorkernen und einer besonders niedrigen TDP von 25 W eignen sich die Plattformen für den komplett lüfterlosen und damit wartungsfreien 24/7-Betrieb in hermetisch abgeschlossenen Gehäusen mit höchsten IP-Schutzklassen. Virtuelle Maschinen auf Basis der RTS-Hypervisor-Technologie sorgen optional für eine optimale Auslastung der vorhandenen Rechenressourcen für heterogenste Tasks, die von der lokalen Echtzeitsteuerung bis hin zum taktilen Internet reichen können.

Durch die Möglichkeit der Virtualisierung eignen sich diese neuen Plattformen auch perfekt für den Aufbau von besonders robust ausgelegtem Universal Customer Premises Equipment (uCPE). Solche offene Standard-Hardware wird zum Betrieb von Telekommunikationsnetzfunktionen wie Software Defined Networks (SDN) und Network Functions Virtualization (NFV) am IT-Edge des Kunden verwendet.

Eine perfekt integrierte Lösung

Bei der Auswahl des Computer-on-Modules-Lieferanten und Entwicklungspartners setzt Recab auf den globalen Marktführer im Segment der Computer-on-Module, Congatec. Vereinfacht wurde die Zusammenarbeit durch die Tatsache, dass Recab-CEO Martin Frederiksen in seiner früheren Karriere viele Jahre lang den Congatec-Vertrieb in Großbritannien und den nordischen Ländern betreute. Durch diese enge Beziehung ist Recab ideal positioniert, COM-Designs sowohl für CompactPCI Serial als auch für VPX und VME umzusetzen.

Es wird interessant sein, zu sehen, wie viele COM-HPC- und COM-Express-Standard-Carrierboards das Unternehmen für einen besseren Kundennutzen auf den Markt bringen wird, und wie viele neue Märkte erschlossen werden, die ohne diese Partnerschaft nie hätten angesprochen werden können. Kurzum: Bei der Evaluierung eines Computer-on-Module-Ansatzes für CompactPCI Serial sowie VPX und VME lohnt es sich auf jeden Fall, das Angebot des Congatec-Service-Partners für Carrier-Board-Designs zu prüfen. Um die Reichweite dieses attraktiven Designprinzips für einen besseren ROI und Nachhaltigkeit weiter zu verbessern, ist deshalb aktuell auch geplant, diesen Service ebenfalls über den Congatec-Vertriebskanal anzubieten.