Future Proof Solder Core: Standard für gelötete System on Modules
Standards für System on Modules sollen zwei Gegensätze unter einen Hut bringen: Skalierbarkeit und Austauschbarkeit einerseits und andererseits den Anspruch von Embedded Systemen, perfekt an die jeweilige Applikation angepasst zu sein sowie Prozessoren ideal auszunutzen. Der Blogartikel zeigt, wie FPSC die Standardisierung von System on Modules anders denkt, damit das ohne Kompromisse gelingen kann.
Dazu müssen die System on Modules (SOM) alle benötigten Funktionalitäten und Schnittstellen genau passend zur Verfügung stellen. Gleichzeitig ist jedes Zuviel an Rechenleistung oder Bauteilen unerwünscht, weil dadurch Serienkosten, Energieverbrauch, Wärmeentwicklung und Größe steigen. Das ist besonders relevant für Smart Devices, mobile Roboter, autark arbeitende Geräte und andere Feldanwendungen. Hinzu kommt, insbesondere für den Einsatz in der Industrie, dass die Geräte und ihre Komponenten über viele Jahre zuverlässig verfügbar sein sollen.
In der Vergangenheit hieß das, dass alle Komponenten eine bestmögliche Langzeitverfügbarkeit bieten sollten – und auch Phytec produziert heute noch Elektroniken, deren Entwicklung 20 und mehr Jahre zurückliegt. Gleichzeitig sind die Innovationszyklen in vielen industriellen und professionellen Anwendungen deutlich kürzer geworden, getrieben von den Entwicklungen im Consumer-Markt. Langlebigkeit heißt heute auch, neue Funktionalitäten schnell und einfach in die nächste Produktgeneration integrieren zu können und damit den Lebenszyklus zu verlängern. Diese Gedanken – hohe Investitionssicherheit, Langzeitverfügbarkeit und einfache Upgradefähigkeit – haben zur Entwicklung des Standards FPSC – Future Proof Solder Core – geführt, den Phytec mit den ersten FPSC-Modulen phyCORE-i.MX 95 und phyCORE-i.MX 8M Plus vorgestellt hat.
Modulare Designs mit aufgesteckten oder aufgelöteten System on Modules sind fest etabliert für die Entwicklung von Embedded Devices. Dabei integrieren die SOMs Arm-Prozessoren, Speicher und weitere EMV-kritische Komponenten. Das reduziert die Komplexität des Basisboards und damit Aufwand und Kosten für Entwicklung und Fertigung. Zudem profitieren Unternehmen beim Einsatz solcher Module von der Pflege von Hardware und Software durch den Modul-Lieferanten.
Standards haben zum Ziel, darüber hinaus eine Austauschbarkeit der Module zu ermöglichen, sodass Upgrades oder Produktserien mit unterschiedlicher Funktionalität realisiert werden können. Im X86-Bereich für Industrie-PCs und Anwendungen mit klar definierten und begrenzten Funktionalitäten und Schnittstellen funktioniert das sehr gut. Embedded Standard-Module versuchen dieses Prinzip auf Arm-Prozessoren zu übertragen. ARM-Prozessoren unterscheiden sich im Gegensatz zur X86-Architektur aber gerade durch spezielle Feature und Funktionalitäten – und diese Merkmale sind es, mit denen die Prozessoren perfekt an die Anwendung angepasste Embedded Systeme ermöglichen und die es deshalb zu nutzen gilt. Standardisierung und Austauschbarkeit mit gängigen SOM Standards bedeutet, dass unter Umständen genau diese besonderen Prozessorfeature zu Gunsten der Kompatibilität verloren gehen. Das widerspricht unserer Definition von „embedded“. Hinzu kommt, dass in der Praxis unterschiedliche Spannungspegel von Prozessoren oder Pin-Muxing auf dem Basisboard die Austauschbarkeit der Module ohnehin einschränken oder umfangreiche – und teure – Entwicklungsmaßnahmen oder zusätzliche Bauteile erforderlich machen.
Genau hier setzt der neue Modul-Standard FPSC für Lötmodule von Phytec an: Er zielt auf Skalierbarkeit ohne Kompromisse ab und ermöglicht die optimale Nutzung aller Prozessor-Feature – auch solcher, die erst mit künftigen Generationen integriert werden und heute noch nicht bekannt und definiert sind. Damit führt er die Bestrebungen von Phytec für pinkompatible System on Modules fort. FPSC legt Featuresets für Linux-Prozessoren mit ähnlichen Eigenschaften fest, die jeweils eine Reihe von Prozessoren mit ähnlichen Funktionalitäten umfassen, aber auch von unterschiedlichen Herstellern kommen können. Neue Prozessoren, die eine hohe Überschneidung mit diesem Featureset haben, werden in den Standard integriert. Für Prozessoren, deren Funktionalität sich deutlich unterscheidet, werden in der Zukunft weitere Featuresets festgelegt.
Drei Zonen ermöglichen Austauschbarkeit und Nutzung besonderer Prozessoreigenschafen zur selben Zeit
Im Footprint der Module spiegelt sich das Featureset in einem besonderen Pinout wieder, das in drei Zonen eingeteilt ist:
Bild 2: Footprint von FPSC Lötmodulen mit variablen Abmessungen
Must-Have-Signale
Die hier vorhandenen Schnittstellen bilden den Kern des jeweiligen Featuresets. Alle Module, die heute oder künftig entsprechend dem Featureset entwickelt werden, unterstützten diese Funktionen. Für viele Produkte sind die hier definierten Funktionalitäten komplett ausreichend – im ersten definierten Featureset FPSC 24A.0 umfasst die Zone 52 Prozent der Prozessorfeature.
Preferred Signale
Um die rechteckige Zone der Must-Have-Signale herum liegen Pins für Funktionalitäten, die von vielen Prozessoren innerhalb des Featuresets unterstützt werden und künftig ebenfalls berücksichtigt werden sollen.
Proprietary Signale
Die Funktionen, mit denen sich die Embedded Prozessoren voneinander unterscheiden und mit denen sie sich für bestimmte Anwendungen besonders auszeichnen, werden in der äußeren Zone für Proprietary Signals integriert. Diese Zone unterliegt keiner Standardisierung. Gleichzeitig können hier auf Pins geführte Funktionalitäten – auch von erst in der Zukunft entwickelten Prozessoren – sehr einfach integriert werden. Dabei müssen auf der Basisplatine lediglich diese Pins ebenfalls integriert und auf entsprechende Schnittstellen geführt werden.
Die Einteilung in diese drei Zonen bedeutet, dass Entwickler eine Standardisierung nach Maß erhalten: Nutzen Sie für ihre Applikation nur die Signale der Must-Have-Zone, können sie sicher sein, dass es langfristig pinkompatible Module gibt – auch über die ohnehin lange Verfügbarkeit der Prozessoren und weiterer Bauteile hinaus. Dann kann zum Beispiel die Lebensdauer eines Produktes durch eine höhere Prozessorleistung des Nachfolgemoduls schnell und günstig verlängert werden. In diesen Fällen ist in der Regel von der Stücklistenanpassung abgesehen keine signifikante Anpassung der Basisplatine notwendig. Ein weiterer Vorteil: Module, die lediglich diese Signale vorsehen, sind mit einer Größe von 27 mm x 30 mm ultrakompakt und damit sehr einfach und platzsparend zu integrieren.
Nutzen Kundenapplikationen zusätzlich die Preferred Signale, sind die Signale bei einem Upgrade oder einer Produktvariante in jedem Fall elektrisch kompatibel. Mit der Nutzung der zusätzlichen Zone der Proprietary Signals stehen alle Signale eines Prozessors am Footprint des System on Modules zur Verfügung. So können Entwickler auch die besonderen Features eines Prozessors optimal ausnutzen – bei einem immer noch äußerst kompakten Modulformat von nur 41 mm x 44 mm. Wird diese Zone im Design des Basisboards zumindest freigehalten, so können bei Bedarf und in Zukunft neue Funktionalitäten und Prozessorfeature mit wenig Aufwand in ein Redesign der Basisplatine integriert werden – und das gilt auch für solche Prozessorfeature, von denen wir heute noch gar nicht wissen können.
Damit ist FPSC die ideale Basis für skalierbare Plattformen und Produktserien. Upgrades im Lebenszyklus und die Integration neuer Prozessorfeature sind ebenso möglich wie Produktvarianten mit unterschiedlicher Rechenleistung oder Funktionalität. Entwickler profitieren mit dem neuen Standard für Lötmodule von langen Produktlebenszyklen und geringem Aufwand für die Pflege.lege und Weiterentwicklung des Basisboards – selbst bei der Integration neuer Innovationen. FPSC steht damit für 100-prozentige Flexibilität und Zukunftssicherheit ohne Kompromisse und Feature-Verlust.