Los sistemas integrados de alta gama diseñados para aplicaciones industriales pueden integrar solo una selección específica de nueva tecnología de procesador. De hecho, solo son aptos para el uso diario duro si están diseñados sin ventiladores.

Esto aumenta su fiabilidad en entornos hostiles donde tienen que soportar golpes o vibraciones, y garantiza que permanezcan libres de mantenimiento incluso después de años de funcionamiento continuo.

Otra ventaja es que los diseños sin ventilador pueden sellarse herméticamente contra el polvo y la humedad, algo que es esencial para prácticamente todas las aplicaciones industriales.

Por último, pero no menos importante, sin ventilador también significa que no hay ruido. Esto es ideal para dispositivos que se usan cerca de humanos, por ejemplo; dispositivos médicos en una unidad de cuidados intensivos, en un estudio de grabación profesional o en un laboratorio de pruebas y metrología.

Por lo tanto, hay muchas razones que favorecen los diseños sin ventilador.

Enfriamiento en placa portadora pequeña

Los sistemas sin ventilador son relativamente fáciles de implementar con procesadores que consumen menos de 10W. Actualmente, el límite de dónde aún son posibles los diseños sin ventilador es de alrededor de 15 vatios TDP. Muchos desarrolladores de sistemas integrados trabajan alrededor de este límite para aprovechar al máximo sus aplicaciones de gama alta sin ventilador, como PC industriales con control e HMI en un solo sistema, sistemas de procesamiento de imagen y video, equipos profesionales de audio y video y señalización digital.

Muchos sistemas ahora requerirán una conexión a Internet para IoT y aplicaciones de la industria 4.0. Ambos requieren capacidades adicionales de procesamiento de datos y comunicación, incluyendo cifrado y protección contra virus. Esto puede aumentar significativamente la demanda de potencia informática.

Los últimos procesadores Core i7 / i5 / i3 de Intel vienen en una amplia gama de potencias desde unos pocos vatios hasta 91W. Así que veré lo que las versiones SoC de 15 W de los procesadores tienen para ofrecer, porque solo ellas permiten el desarrollo de sistemas de alta gama totalmente sin ventilador de grado industrial.

Los puntos de referencia para esta clase de rendimiento en particular no están disponibles actualmente. Sin embargo, es seguro asumir que los avances realizados en el segmento de SoC de esta generación de procesadores son comparables a los logrados para las variantes de escritorio que requieren ventiladores activos. Intel afirma que, en comparación con las plataformas de cinco años de antigüedad, los nuevos procesadores Core proporcionan hasta 2.5 veces más potencia de cómputo, un rendimiento de gráficos 3D 30 veces mejor y una vida útil de la batería 3 veces más larga. En comparación con la quinta generación (con nombre en código Broadwell), hay un aumento estimado de alrededor del 10% en el rendimiento de gráficos y computación, y del 11% en la eficiencia energética.

El mayor rendimiento proviene de un proceso de fabricación de 14 nm y la microarquitectura Skylake revisada. Esto incluye una estructura optimizada que conecta núcleos de CPU, unidad de gráficos y caché de último nivel (anteriormente caché L3) a través de una arquitectura de bus de anillo.

Las versiones de SoC ULV que son relevantes para los diseños de 15 W también incluyen el agente del sistema que integra la pantalla, el almacenamiento y el controlador de E / S. Hay tecnología para un cambio más rápido entre estados de energía, lo que lleva a aumentos de rendimiento entre 20% y 45% en comparación con los procesadores Intel Core de la quinta generación. Al mismo tiempo, se reduce el consumo de energía.

Intel también ha reducido los voltajes de suministro del SoC y refinado la activación de energía de los bloques de funciones individuales. Esto reduce la disipación de potencia y permite el uso extendido del turbo boost, de modo que las aplicaciones pueden hacer frente mejor a las cargas máximas.

La unidad de gráficos, que ha sido optimizada para Windows 10 y está integrada en los nuevos SoC de 15W de novena generación como Intel Graphics 500, ahora también ofrece un mayor rendimiento. Proporciona hasta tres pantallas 4k independientes con una frecuencia de actualización de 60Hz a través de DisplayPort 1.2.

También se admite HDMI 1.4 y DirectX 12 garantiza gráficos 3D aún más rápidos en Windows 10. Además, se integra un motor de video adicional. Esto permite la codificación y decodificación de video HEVC, VP8, VP9 y VDENC con una carga mínima de CPU y bajo consumo de energía. Por primera vez, ahora es posible transmitir video HD de manera eficiente en ambas direcciones, es decir, tanto aguas arriba como aguas abajo. Con 24 unidades de ejecución y soporte OpenCL 2.0, los gráficos GT2 520 de los procesadores ULV también pueden liberar a la CPU de tareas paralelas intensivas en cómputo.

Otra nueva característica es el soporte de RAM DDR4. Esto trae una serie de mejoras: en primer lugar, proporciona un ancho de banda mucho mayor y funciona más rápido; en segundo lugar, a 1.2V también es más eficiente energéticamente que las actuales RAM DDR3 de 1.35 V.

Además, gracias a la duplicación de la densidad de memoria, ahora es posible lograr 32Gbytes de memoria de trabajo con dos ranuras de RAM. Esta es una gran ventaja para muchos sistemas integrados de alta gama y probablemente la razón principal para que muchos diseñadores de sistemas se actualicen a la nueva generación lo antes posible.

La sexta generación de procesadores Intel Core tiene en cuenta los altos requisitos de E / S de muchos IoT de alta gama y sistemas integrados al proporcionar más E / S de alta velocidad. Las versiones de SoC con PCI Express Gen 3.0 ofrecen velocidades de datos casi el doble.

La nueva generación de procesadores también proporciona el doble de interfaces USB 3.0 (ahora 4) que sus predecesores inmediatos. Gracias a la disponibilidad de una interfaz de cámara CSI MIPI-2 que por primera vez integra un Procesador de señal de imagen (ISP), las imágenes proporcionadas por los sensores pueden procesarse en tiempo real y extremadamente eficientemente sin intervención de la CPU.

Los primeros tres SoC integrados de 15 W de la plataforma Intel Core de sexta generación son los procesadores de doble núcleo Intel Core i7-6600U, Intel Core i5-6300U e Intel Core i3-6100U con soporte de subprocesamiento.

Para placas de factor de forma pequeño (SFF), y si se requiere un conjunto personalizado de interfaces, Computer-on-Modules (COM) son, en mi opinión, la mejor opción.

La especificación PICMG COM Express está diseñada específicamente para el segmento de gama alta. En diseños donde el espacio es limitado, el factor de forma COM Express Compact se usa con mayor frecuencia. Ofrece una superficie compacta de solo 95 x 95 mm y, al mismo tiempo, incluye dos conectores SMD de doble fila con 440 pines para numerosas interfaces de alta velocidad.

Además, COM Express está optimizado para las interfaces de alto rendimiento de las PC estándar y cumple con las más estrictas demandas gracias a la conexión estable a la placa de soporte específica de la aplicación. En muchos casos, son específicamente los diseños de gama alta sin ventilador los que dependen de COM Express Compact, especialmente cuando el conjunto de características estándar de las placas base Mini-ITX no cumple con los requisitos de diseño o el espacio es limitado en la aplicación.

¿El diseño del sistema y el procesador encajan juntos?

Los diseños de sistemas individuales siempre presentan al ingeniero de diseño integrado algunas preguntas desafiantes: ¿Es el diseño de mi sistema realmente adecuado para el procesador elegido? ¿Seré capaz de operar el sistema a largo plazo y sin sobrecalentamiento, o la aplicación desactivará el sistema cuando se trata de picos de carga?

Es esencial asegurarse de que el diseño no sobrecaliente el procesador, ya que esto acortaría la vida útil o provocaría fallas extremadamente prematuras. Afortunadamente, ahora no hay uno sino dos factores que faciliten a los desarrolladores equilibrar los requisitos de diseño de hardware, procesador y aplicación y desarrollar aplicaciones que realmente alcancen los límites de lo posible con un TDP de 15W.

El primer factor es el TDP configurable del procesador (CTDP); El segundo factor es la disponibilidad de soluciones de enfriamiento sin ventilador que se ajustan bien al módulo y procesador de la computadora. Estos dos factores permiten optimizar el diseño paso a paso para cumplir con los requisitos de un diseño y aplicación de hardware dados.

Los nuevos procesadores SoC de 15W son configurables de 7,5 a 15W. Si la aplicación es propensa a sobrecalentar el sistema en ciertos escenarios, es posible minimizar el punto de acceso en ciertos puntos limitando la producción máxima de calor para que el sistema permanezca siempre dentro del rango térmico permitido. Otra opción es jugar con variantes de disipador de calor, siempre que se ofrezcan diferentes conceptos de enfriamiento para una huella idéntica.

Dado que las especificaciones PICMG COM Express permiten a los diseñadores limitar la altura del disipador térmico, es posible desarrollar soluciones de disipador de calor con una huella idéntica que ofrece diferentes opciones. Estos pueden variar desde simples disipadores de calor integrados con aletas hasta disipadores de calor con una conexión de carcasa o refrigeradores de alto rendimiento con tecnología combinada de tubo de calor y disipador de calor

Para diseños completamente cerrados que necesitan explotar los 15W al máximo, se recomienda la convección interna del sistema; Otra opción es conectar el disipador de calor a la carcasa exterior.
La disponibilidad de TDP configurable junto con kits de inicio que ofrecen variantes flexibles de disipador de calor, permitirá a los desarrolladores de sistemas tener éxito más rápidamente que con los intentos de prueba y error en el diseño del sistema y la vivienda.

Creo que la nueva generación de procesadores Intel Core hará que el diseño térmico sea mucho más fácil en el futuro. Sin embargo, los desarrolladores OEM continuarán enfrentando preguntas que requieren acceso directo a la experiencia de los proveedores de módulos. Es una verdadera ventaja si el fabricante ha definido un proceso transparente que garantice el apoyo personal, lo que hace innecesario ir de principio a fin y explicar los problemas nuevamente cada vez.

Christian Eder es gerente de marketing en Congatec