Hoogwaardige embedded systemen ontworpen voor industriële toepassingen kunnen slechts een specifieke selectie van nieuwe processortechnologie integreren. Ze zijn zelfs alleen geschikt voor zwaar dagelijks gebruik als ze zijn ontworpen zonder ventilatoren.

Dit verhoogt hun betrouwbaarheid in ruwe omgevingen waar ze schokken of trillingen moeten doorstaan ​​en zorgt ervoor dat ze zelfs na jarenlang continu gebruik onderhoudsvrij blijven.

Een ander pluspunt is dat ventilatorloze ontwerpen hermetisch kunnen worden afgedicht tegen stof en vocht, iets dat essentieel is voor vrijwel elke industriële toepassing.

Last but not least betekent geen enkele ventilator ook geen geluid. Dit is ideaal voor apparaten die bijvoorbeeld in de buurt van mensen worden gebruikt; medische apparatuur op een intensive care-afdeling, in een professionele opnamestudio of in een test- en metrologielaboratorium.

Er zijn dus veel redenen waarom ontwerpen zonder ventilator de voorkeur hebben.

Koeling op klein draagbord

Systemen zonder ventilator zijn relatief eenvoudig te implementeren met processors die minder dan 10 W verbruiken. Momenteel ligt de limiet waar nog steeds ontwerpen zonder ventilator mogelijk zijn, rond 15 watt TDP. Veel embedded systeemontwikkelaars omzeilen deze limiet om het maximale uit hun fanless high-end applicaties te halen, zoals industriële pc's met besturing en HMI in één systeem, beeld- en videoverwerkingssystemen, professionele audio- en videoapparatuur en narrowcasting.

Veel systemen hebben nu een internetverbinding nodig voor IoT- en industrie 4.0-toepassingen. Beide vereisen extra gegevensverwerkings- en communicatiemogelijkheden - inclusief codering en virusbescherming. Dit kan de vraag naar rekenkracht behoorlijk opdrijven.

Intel's nieuwste Core i7 / i5 / i3-processors hebben een zeer breed scala aan vermogens, van een paar watt tot 91 W. Dus ik zal kijken naar wat de 15W SoC-versies van de processors te bieden hebben, omdat alleen zij de ontwikkeling mogelijk maken van volledig industriële kwaliteit, ventilatorloze high-end systemen.

Benchmarks voor deze specifieke prestatieklasse zijn momenteel niet beschikbaar. Het is echter veilig om aan te nemen dat de verbeteringen in het SoC-segment van deze processorgeneratie vergelijkbaar zijn met die voor desktopvarianten die actieve ventilatoren vereisen. Intel stelt dat de nieuwe Core-processors, vergeleken met vijf jaar oudere platforms, tot 2,5 keer meer rekenkracht, 30 keer betere 3D-grafische prestaties en een driemaal langere batterijduur leveren. Vergeleken met de 5e generatie (codenaam Broadwell), wordt een geschatte stijging van ongeveer 10% in grafische en computerprestaties en 11% in energie-efficiëntie verwacht.

De hogere prestaties komen van een 14nm-fabricageproces en de herziene Skylake-microarchitectuur. Dit omvat een geoptimaliseerde fabric die CPU-kernen, grafische eenheid en cache op het laatste niveau (voorheen L3-cache) verbindt via een ringbusarchitectuur.

De ULV SoC-versies die relevant zijn voor 15W-ontwerpen bevatten ook de systeemagent die de display, opslag en I / O-controller integreert. Er is technologie voor sneller schakelen tussen energiestanden, wat leidt tot prestatieverhogingen tussen 20% en 45% in vergelijking met Intel Core-processors van de 5e generatie. Tegelijkertijd wordt het stroomverbruik verlaagd.

Intel heeft ook de voedingsspanningen van de SoC verlaagd en de stroompoorten van de afzonderlijke functieblokken verfijnd. Dit vermindert de vermogensdissipatie en maakt langdurig gebruik van de turboboost mogelijk, zodat toepassingen beter kunnen omgaan met piekbelastingen.

De grafische eenheid, die is geoptimaliseerd voor Windows 10 en is geïntegreerd in de nieuwe 9e generatie 15W SoC's als Intel graphics 500, biedt nu ook betere prestaties. Het levert tot drie onafhankelijke 4K-schermen met een vernieuwingsfrequentie van 60 Hz via DisplayPort 1.2.

Ook HDMI 1.4 wordt ondersteund en DirectX 12 zorgt voor nog snellere 3D-graphics onder Windows 10. Verder is er een extra video-engine geïntegreerd. Dit maakt het coderen en decoderen van HEVC-, VP8-, VP9- en VDENC-video mogelijk met minimale CPU-belasting en laag energieverbruik. Voor het eerst is het nu mogelijk om HD-video efficiënt in beide richtingen te streamen, dus zowel upstream als downstream. Met 24 uitvoeringseenheden en OpenCL 2.0-ondersteuning kunnen de GT2 520-graphics van de ULV-processors de CPU ook bevrijden van rekenintensieve parallelle taken.

Een andere nieuwe functie is de ondersteuning van DDR4 RAM. Dit brengt een aantal verbeteringen met zich mee: ten eerste biedt het een veel grotere bandbreedte en werkt het sneller; ten tweede is hij met 1,2 V ook energiezuiniger dan de huidige 1,35 V DDR3 RAM's.

Bovendien is het dankzij een verdubbeling van de geheugendichtheid nu mogelijk om 32Gbyte werkgeheugen te bereiken met twee RAM-slots. Dit is een enorm pluspunt voor veel hoogwaardige embedded systemen en waarschijnlijk de belangrijkste reden voor veel systeemontwerpers om zo snel mogelijk naar de nieuwe generatie te upgraden.

De 6e generatie Intel Core-processors houdt rekening met de hoge I / O-vereisten van veel high-end IoT en embedded systemen door het leveren van snellere I / O's. De SoC-versies met PCI Express Gen 3.0 bieden bijna dubbele gegevenssnelheden.

De nieuwe processorgeneratie biedt ook tweemaal zoveel USB 3.0-interfaces (nu 4) dan hun directe voorgangers. Dankzij de beschikbaarheid van een CSI MIPI-2 camera-interface die voor het eerst een beeldsignaalprocessor (ISP) integreert, kunnen de beelden van de sensoren in realtime en extreem energiezuinig worden verwerkt zonder tussenkomst van de CPU.

De eerste drie 15W embedded SoC's van het 6e generatie Intel Core-platform zijn de dual-core processors Intel Core i7-6600U, Intel Core i5-6300U en Intel Core i3-6100U met hyperthreading-ondersteuning.

Voor small form factor (SFF) -borden en als een aangepaste set interfaces vereist is, zijn Computer-on-Modules (COM) naar mijn mening de beste keuze.

De PICMG COM Express-specificatie is speciaal ontworpen voor het high-end segment. In ontwerpen waar de ruimte beperkt is, wordt de COM Express Compact-vormfactor het meest gebruikt. Het biedt een compacte footprint van slechts 95 x 95 mm en bevat tegelijkertijd twee dubbelrijige SMD-connectoren met 440 pinnen voor talloze high-speed interfaces.

Bovendien is COM Express geoptimaliseerd voor de hoogwaardige interfaces van standaard pc's en voldoet het aan de hoogste eisen dankzij de stabiele verbinding met het toepassingsspecifieke draagbord. In veel gevallen zijn het specifiek de high-end ontwerpen zonder ventilator die vertrouwen op COM Express Compact, vooral wanneer de standaardfuncties van Mini-ITX-moederborden niet voldoen aan de ontwerpvereisten of de ruimte beperkt is in de toepassing.

Passen systeemontwerp en processor bij elkaar?

Individuele systeemontwerpen stellen de embedded design engineer altijd voor een aantal uitdagende vragen: is mijn systeemontwerp echt geschikt voor de gekozen processor? Kan ik het systeem langdurig en zonder oververhitting gebruiken, of zal de toepassing het systeem uitschakelen als het gaat om laadpieken?

Het is essentieel om ervoor te zorgen dat het ontwerp de processor niet oververhit, omdat dit de levensduur zou verkorten of tot extreem vroegtijdige storingen zou leiden. Gelukkig zijn er nu niet één maar twee factoren die het voor ontwikkelaars gemakkelijker maken om hardware-ontwerp, processor- en applicatie-eisen in evenwicht te brengen en applicaties te ontwikkelen die echt de grenzen van het mogelijke bereiken met een TDP van 15W.

De eerste factor is de configureerbare TDP van de processor (CTDP); de tweede factor is de beschikbaarheid van ventilatorloze koeloplossingen die goed passen bij de computermodule en processor. Deze twee factoren maken het mogelijk om het ontwerp stap voor stap te optimaliseren om aan de eisen van een bepaald hardware-ontwerp en toepassing te voldoen.

De nieuwe SoC-processors van 15 W zijn configureerbaar van 7,5 tot 15 W. Als de toepassing in bepaalde scenario's vatbaar is voor oververhitting van het systeem, is het mogelijk om de hotspot op bepaalde punten te minimaliseren door de maximale warmteafgifte te beperken, zodat het systeem altijd binnen het toegestane thermische bereik blijft. Een andere optie is om te spelen met koellichaamvarianten, op voorwaarde dat verschillende koelconcepten worden aangeboden voor een identieke voetafdruk.

Aangezien de PICMG COM Express-specificaties ontwerpers in staat stellen de hoogte van de warmtespreider te beperken, is het mogelijk om koellichaamoplossingen te ontwikkelen met een identieke voetafdruk die verschillende opties bieden. Deze kunnen variëren van eenvoudige ingebouwde koellichamen met lamellen tot koellichamen met een behuizingsaansluiting of krachtige koelers met gecombineerde heatpipe- en heatspreadertechnologie

Voor volledig gesloten ontwerpen die de 15W maximaal moeten benutten, wordt interne systeemconvectie aanbevolen; een andere optie is het aansluiten van het koellichaam op de buitenmantel.
De beschikbaarheid van configureerbare TDP samen met starterkits die flexibele koellichaamvarianten bieden, zullen systeemontwikkelaars in staat stellen sneller te slagen dan met vallen en opstaan ​​bij systeemontwerp en behuizing.

Ik geloof dat de nieuwe generatie Intel Core-processors het thermische ontwerp in de toekomst een stuk eenvoudiger zal maken. OEM-ontwikkelaars zullen echter nog steeds met vragen worden geconfronteerd die directe toegang tot de expertise van module-leveranciers vereisen. Het is een groot voordeel als de fabrikant een transparant proces heeft gedefinieerd dat persoonlijke ondersteuning garandeert, waardoor het niet nodig is om van begin tot eind door te gaan en de problemen telkens opnieuw uit te leggen.

Christian Eder is marketingmanager bij Congatec