Les systèmes embarqués haut de gamme conçus pour les applications industrielles ne peuvent intégrer qu'une sélection spécifique de nouvelles technologies de processeur. En fait, ils ne sont adaptés à un usage quotidien rude que s'ils sont conçus sans ventilateurs.

Cela augmente leur fiabilité dans les environnements difficiles où ils doivent subir des chocs ou des vibrations et garantit qu'ils ne nécessitent aucun entretien, même après des années de fonctionnement continu.

Un autre avantage est que les conceptions sans ventilateur peuvent être scellées hermétiquement contre la poussière et l'humidité, ce qui est essentiel pour pratiquement toutes les applications industrielles.

Enfin et surtout, aucun ventilateur ne signifie également aucun bruit. C'est idéal pour les appareils qui sont utilisés à proximité des humains, par exemple; dispositifs médicaux dans une unité de soins intensifs, dans un studio d'enregistrement professionnel ou un laboratoire de test et de métrologie.

Il existe donc de nombreuses raisons qui favorisent les conceptions sans ventilateur.

Refroidissement sur une petite carte de support

Les systèmes sans ventilateur sont relativement faciles à mettre en œuvre avec des processeurs qui consomment moins de 10 W. Actuellement, la limite des possibilités de conception sans ventilateur se situe autour de 15 watts TDP. De nombreux développeurs de systèmes embarqués contournent cette limite pour tirer le meilleur parti de leurs applications haut de gamme sans ventilateur telles que les PC industriels avec contrôle et IHM dans un seul système, les systèmes de traitement d'image et vidéo, les équipements audio et vidéo professionnels et la signalisation numérique.

De nombreux systèmes nécessitent désormais une connexion Internet pour les applications IoT et l'industrie 4.0. Les deux nécessitent des capacités de traitement des données et de communication supplémentaires, notamment le cryptage et la protection contre les virus. Cela peut augmenter considérablement la demande de puissance de calcul.

Les derniers processeurs Intel Core i7 / i5 / i3 sont disponibles dans une très large gamme de puissances allant de quelques watts à 91 W. Je vais donc regarder ce que les versions SoC 15W des processeurs ont à offrir, car elles permettent seulement le développement de systèmes haut de gamme sans ventilateur de qualité industrielle.

Les références pour cette classe de performances particulière ne sont actuellement pas disponibles. Cependant, il est sûr de supposer que les progrès réalisés dans le segment SoC de cette génération de processeurs sont comparables à ceux obtenus pour les variantes de bureau nécessitant des ventilateurs actifs. Intel déclare que, par rapport aux plates-formes plus anciennes de cinq ans, les nouveaux processeurs Core fournissent jusqu'à 2,5 fois plus de puissance de calcul, des performances graphiques 3D 30 fois meilleures et une autonomie de batterie 3 fois plus longue. Par rapport à la 5e génération (nom de code Broadwell), il y a une augmentation estimée à environ 10% des performances graphiques et informatiques, et 11% de l'efficacité énergétique.

Les performances supérieures proviennent d'un processus de fabrication de 14 nm et de la microarchitecture Skylake révisée. Cela inclut une structure optimisée qui connecte les cœurs de processeur, l'unité graphique et le cache de dernier niveau (anciennement cache L3) via une architecture de bus en anneau.

Les versions ULV SoC pertinentes pour les conceptions 15 W incluent également l'agent système qui intègre l'affichage, le stockage et le contrôleur d'E / S. Il existe une technologie permettant une commutation plus rapide entre les états d'alimentation, ce qui entraîne des augmentations de performances entre 20% et 45% par rapport aux processeurs Intel Core de la 5e génération. Dans le même temps, la consommation d'énergie est réduite.

Intel a également réduit les tensions d’alimentation du SoC et affiné le découpage de puissance des blocs fonctionnels individuels. Cela réduit la dissipation de puissance et permet une utilisation prolongée du turbo boost, afin que les applications puissent mieux faire face aux charges de pointe.

L'unité graphique, optimisée pour Windows 10 et intégrée dans les nouveaux SoC 15 W de 9e génération en tant que Intel Graphics 500, offre désormais également de meilleures performances. Il fournit jusqu'à trois écrans 4K indépendants avec un taux de rafraîchissement de 60 Hz via DisplayPort 1.2.

HDMI 1.4 est également pris en charge et DirectX 12 garantit des graphismes 3D encore plus rapides sous Windows 10. De plus, un moteur vidéo supplémentaire est intégré. Cela permet l'encodage et le décodage des vidéos HEVC, VP8, VP9 et VDENC avec une charge CPU minimale et une faible consommation d'énergie. Pour la première fois, il est désormais possible de diffuser efficacement des vidéos HD dans les deux sens, c'est-à-dire à la fois en amont et en aval. Avec 24 unités d'exécution et la prise en charge d'OpenCL 2.0, les graphiques GT2 520 des processeurs ULV peuvent également libérer le processeur des tâches parallèles gourmandes en calculs.

Une autre nouvelle fonctionnalité est le support de la RAM DDR4. Cela apporte un certain nombre d'améliorations: Premièrement, il fournit une bande passante beaucoup plus élevée et fonctionne plus rapidement; deuxièmement, à 1,2 V, il est également plus économe en énergie que les RAM DDR3 1,35 V actuelles.

De plus, grâce à un doublement de la densité de mémoire, il est désormais possible d'atteindre 32 Go de mémoire de travail avec deux emplacements RAM. C'est un énorme avantage pour de nombreux systèmes embarqués haut de gamme et probablement la principale raison pour laquelle de nombreux concepteurs de systèmes doivent passer à la nouvelle génération dès que possible.

La 6e génération de processeurs Intel Core tient compte des exigences d'E / S élevées de nombreux systèmes IoT et embarqués haut de gamme en fournissant des E / S plus rapides. Les versions SoC avec PCI Express Gen 3.0 offrent des débits de données presque doubles.

La nouvelle génération de processeurs fournit également deux fois plus d'interfaces USB 3.0 (maintenant 4) que leurs prédécesseurs immédiats. Grâce à la disponibilité d'une interface de caméra CSI MIPI-2 qui intègre pour la première fois un processeur de signal d'image (ISP), les images fournies par les capteurs peuvent être traitées en temps réel et extrêmement économes en énergie sans intervention du CPU.

Les trois premiers SoC intégrés de 15 W de la plate-forme Intel Core de 6e génération sont les processeurs double cœur Intel Core i7-6600U, Intel Core i5-6300U et Intel Core i3-6100U avec prise en charge de l'hyper-threading.

Pour les cartes SFF (Small Form Factor) et si un ensemble personnalisé d'interfaces est requis, les ordinateurs sur modules (COM) sont à mon avis le meilleur choix.

La spécification PICMG COM Express est conçue spécifiquement pour le segment haut de gamme. Dans les conceptions où l'espace est limité, le facteur de forme COM Express Compact est le plus souvent utilisé. Il offre un encombrement compact de seulement 95 x 95 mm et comprend en même temps deux connecteurs SMD à double rangée avec 440 broches pour de nombreuses interfaces haute vitesse.

De plus, COM Express est optimisé pour les interfaces hautes performances des PC standard et répond aux exigences les plus élevées grâce à la connexion stable à la carte porteuse spécifique à l'application. Dans de nombreux cas, ce sont spécifiquement les conceptions haut de gamme sans ventilateur qui s'appuient sur COM Express Compact, en particulier lorsque l'ensemble des fonctionnalités standard des cartes mères Mini-ITX ne répondent pas aux exigences de conception ou que l'espace est limité dans l'application.

La conception du système et le processeur sont-ils compatibles?

Les conceptions de système individuelles posent toujours à l'ingénieur de conception intégré des questions difficiles: la conception de mon système convient-elle vraiment au processeur choisi? Pourrai-je faire fonctionner le système à long terme et sans surchauffe, ou l'application fera-t-elle baisser le système en cas de pics de charge?

Il est essentiel de s'assurer que la conception ne surchauffe pas le processeur, car cela raccourcirait la durée de vie ou entraînerait des pannes extrêmement prématurées. Heureusement, il n'y a plus maintenant un mais deux facteurs qui permettent aux développeurs d'équilibrer plus facilement la conception matérielle, le processeur et les exigences des applications et de développer des applications qui atteignent vraiment les limites du possible avec un TDP de 15W.

Le premier facteur est le TDP configurable du processeur (CTDP); le deuxième facteur est la disponibilité de solutions de refroidissement sans ventilateur qui conviennent bien au module informatique et au processeur. Ces deux facteurs permettent d'optimiser la conception étape par étape pour répondre aux exigences d'une conception et d'une application matérielles données.

Les nouveaux processeurs SoC 15W sont configurables de 7,5 à 15W. Si l'application est sujette à une surchauffe du système dans certains scénarios, il est possible de minimiser le point chaud à certains points en limitant la puissance thermique maximale afin que le système reste toujours dans la plage thermique autorisée. Une autre option consiste à jouer avec les variantes de dissipateur de chaleur, à condition que différents concepts de refroidissement soient proposés pour un encombrement identique.

Étant donné que les spécifications PICMG COM Express permettent aux concepteurs de limiter la hauteur de l'épandeur de chaleur, il est possible de développer des solutions de dissipateurs de chaleur avec un encombrement identique qui offrent différentes options. Ceux-ci peuvent aller de simples dissipateurs de chaleur intégrés avec ailettes à des dissipateurs de chaleur avec une connexion de boîtier ou des refroidisseurs haute performance avec caloduc et technologie de dissipation thermique combinés

Pour les conceptions entièrement fermées qui doivent exploiter au maximum les 15 W, la convection interne du système est recommandée; une autre option consiste à connecter le dissipateur de chaleur au boîtier extérieur.
La disponibilité du TDP configurable ainsi que des kits de démarrage qui offrent des variantes de dissipateurs de chaleur flexibles, permettront aux développeurs de systèmes de réussir plus rapidement qu'avec des tentatives d'essai et d'erreur de conception et de logement du système.

Je crois que la nouvelle génération de processeurs Intel Core rendra la conception thermique beaucoup plus facile à l'avenir. Cependant, les développeurs OEM continueront de faire face à des questions qui nécessitent un accès direct à l'expertise des fournisseurs de modules. C'est un réel avantage si le constructeur a défini un processus transparent qui garantit un accompagnement personnalisé, évitant de devoir recommencer du début à la fin et d'expliquer à nouveau les problèmes à chaque fois.

Christian Eder est directeur marketing chez Congatec