Zuverlässig und robust: Lösungen mit COM- Express

COM Express ist der weltweit führende Formfaktor im Bereich modularer Embedded-PC-Lösungen. Er deckt Leistungsklassen von einfachen Single-Core-Designs bis hin zu hochperformanten Multi-Core-Lösungen ab. Was macht diesen Formfaktor so erfolgreich? Und welche Faktoren sind bei der Realisierung zuverlässiger und robuster Systeme zu berücksichtigen?
Standardisierung ist der Schlüsselfaktor für Austauschbarkeit und langfristigen Erfolg. Das trifft überall dort zu, wo Varianz und Vielfalt auf einen einheitlichen Nenner gebracht werden können, was vor allem im Bereich x86-basierender Konzepte weitestgehend möglich ist. Ein schlagkräftiges Beispiel hierfür ist der COM Express Standard. Eine Vielzahl von Prozessorgenerationen und unterschiedlichste Leistungsklassen wurden bereits auf Basis dieses Formfaktors realisiert und erfolgreich eindesignt. Er bündelt Know-how und erleichtert dadurch die Wiederverwendbarkeit. Gleichzeitig reduzieren sich Entwicklungs- und Qualifizierungsaufwände.

Modularer Ansatz profitiert von validierten Kernkomponenten

Moderne CPUs wie der Intel Atom- und die Intel Core-Prozessoren stellen außerordentliche Ansprüche an Entwickler. Die hohe Integrationsdichte, die Miniaturisierung des Siliziums sowie immer höhere Frequenzen erfordern ein fundiertes Design-Know-how. Nicht umsonst sind Datenblätter und Design-Guides umfangreicher denn je. Unterschiedlichste Spannungspegel mit sehr engen Toleranzen und einem festgelegten Power-Sequencing müssen generiert werden. Diese sind unter unterschiedlichsten Belastungen und Temperaturen zu validieren, um die Zuverlässigkeit des Systems sicherzustellen. Aber auch die Ansprüche an das Layout in Bezug auf High-Speed-Signale sind deutlich gestiegen. Um die Design-Vorgaben der CPU-Hersteller effizient und ausreichend genau einhalten zu können, sind leistungsfähige Tools notwendig. So wird besonders die Speicheranbindung eine der größten Herausforderungen beim Design und der Qualifizierung. Selbst kleinste Unachtsamkeiten und Qualifizierungslücken können zu nichtreproduzierbaren Systemausfällen im Feld führen. Im Umkehrschluss heißt das: Gerade Systeme mit hohen Ansprüchen an die Zuverlässigkeit können vom Einsatz von bereits umfangreich getesteten Modulen profitieren. Steckverbinder werden in vielen Fällen als eine markante Schwachstelle in einem System eingestuft. Deshalb ist gerade bei der Auswahl des Modul-Formfaktors der jeweils eingesetzte Steckverbinder ein wichtiges Entscheidungskriterium. Dabei geht es zum einen um die Signalqualität, zum anderen aber auch um Faktoren wie Kontaktzuverlässigkeit und Robustheit. Bei all diesen Themen punktet COM Express in unterschiedlichster Weise: Die eingesetzten Steckverbinder haben ein hervorragendes High-Speed-Verhalten und sind durch die umlaufende Schirmung bezüglich elektrischen und mechanischen Einflüssen wie Schock und Vibration bestens geschützt. Auch Umgebungseinflüsse wie Staub und korrodierende Substanzen werden von den Kontaktflächen im Steckverbinder ferngehalten. Die Verschraubung zwischen Mainboard und Modul erfolgt unter anderem auch direkt im Bereich der Steckverbinder, sodass mechanische Einflüsse und Toleranzen minimiert werden. Selbst Kühllösungen, die eine mechanische Belastung auf das Modul ausüben können, werden im Bereich der Steckverbinder, aber auch über das gesamte Modul hinweg, optimal abgefangen. Ein wichtiges Kriterium für langfristige Zuverlässigkeit.

Mögliche Schwachstelle SO-DIMM-Sockel

Was im Bereich des Modulsteckverbinders gut gelöst ist, stellt im Bereich der Speichererweiterung ein großes Problem dar: Bei zahlreichen im Markt verfügbaren COM Express-Modulen wird der Arbeitsspeicher mit Hilfe von SO-DIMM-Modulen realisiert. Das heißt, es kommen Steckverbinder zum Einsatz, die in Bezug auf robustes Design nicht punkten können – weder im Bereich der Kontaktflächen noch in Bezug auf mechanische Befestigung. Auch etwas robustere Verriegelungsnasen, wie sie bei manchen Steckplätzen zu finden sind, stellen hierbei keine zufriedenstellende Alternative dar, wenn es um Robustheit geht. Eine wirkliche Abhilfe ist hier nur fest auf dem Modul verlöteter Speicher. Dieser schränkt zwar etwas die spontane Flexibilität bei der Systemkonfiguration bezüglich unterschiedlicher Speichergrößen ein, im Gegenzug dazu ist jedoch dieser Lösungsansatz aus Sicht der Zuverlässigkeit nicht zu übertreffen. Zudem ist dadurch auch gleich sichergestellt, dass ausschließlich für das Modul validierter Speicher zum Einsatz kommt. Die Verantwortung trägt dabei der Modulhersteller. Am Beispiel der COM Express-Module von TQ-Systems ist hier ein durchgängiges Konzept bei allen Modulen von Intel Atom bis zu Intel Core i7 zu sehen.

Verlustleistung reduzieren – Wärmeableitung verbessert

Hochwertige Applikationen sind auf längerfristigen Einsatz ausgelegt und müssen über den kompletten Lebenszeitraum die Zuverlässigkeit sicherstellen. Werte wie MTBF (Mean-Time-Between-Failure) werden dabei nicht selten als Indikatoren verwendet. Damit lässt sich auch leicht erkennen, welche wesentlichen Faktoren auf die langfristige Zuverlässigkeit Einfluss haben: Als äußerer Einflussfaktor ist dies die Temperatur. Je wärmer Komponenten werden, desto schneller nehmen die Lebensdauer und die Ausfallsicherheit ab. Im Umkehrschluss heißt das, dass die auftretende Verlustleistung verringert und die Wärmeableitung verbessert werden müssen. Je weniger Verlustleistung entsteht, desto einfacher ist es, das System zu kühlen und die auftretenden Temperaturen zu verringert. Gut geeignet sind hier Prozessoren, die mit neuesten Fertigungstechnologien hergestellt werden und zudem starkes Powermanagement aufweisen. Dazu zählen im Einstiegssegment die Intel Atom-Prozessoren der E3800-Serie (ehemaliger Codename: Bay Trail) sowie die im höheren Leistungssegment angesiedelten Intel Core-Prozessoren der 5. Generation, die Intel Anfang 2015 ganz neu als Single-Chip-Versionen (ehemaliger Code-Name: Broadwell-U) vorgestellt hat. Betrachtet man die Verbesserung der Entwärmung, so ist besonderes Augenmerk auf den thermischen Flaschenhals am CPU-Die zu legen. Der größte Teil der Gesamtverlustleistung entsteht auf nur wenigen Quadrat-Millimetern und muss mit möglichst geringem Wärmeübergang auf eine größere Fläche verteilt werden, um Hotspots und unnötige Erwärmung zu vermeiden. Bei COM Express sind dazu Kühllösungen mit einheitlichem Höhenprofil definiert, die jeder Hersteller auf seine jeweiligen Module abstimmt. Diese werden fest mit dem CPU-Modul verbunden, um die Toleranzen zwischen CPU-Die und thermischer Anbindung zu verringern. Besondere Verbesserungen können hier Hersteller wie TQ-Systems erzielen: Durch die hausinterne Fertigung der CPU-Module unter stabil reproduzierbaren Lötprozessen können mechanische Toleranzen im Bereich der CPU weit unter den vom CPU-Hersteller angegebenen allgemeinen Höhentoleranzen realisiert werden.

ECC und erweiterter Temperaturbereich

Wer kennt sie nicht: sporadische Systemabstürze oder nicht nachvollziehbare Aussetzer von Applikationen. Um ein dauerhaftes Einfrieren des Systems zu unterbinden, kommen in vielen Fällen Gegenmaßnahmen wie Watchdogs zum Einsatz. Sie booten das System neu, wenn es nicht mehr reagiert. Diese Maßnahme ist aber nur ein drastischer Workaround und behebt nicht die Ursache an sich. Zudem ist ein Reboot in vielen Systemen auch nicht zulässig, da eine dauerhafte Verfügbarkeit sichergestellt werden muss. Viel effizienter ist es, mögliche Ursachen auszuschließen. Bei Flash-Speichern werden standardmäßig im Controller selbst automatisierte Error-Korrekturmaßnahmen angewendet. Im Bereich des Arbeitsspeichers bleibt dies oft unberücksichtigt. Zwar ist die DDR3-Speichertechnologie sehr viel zuverlässiger als Flash-Speicher, jedoch werden Abermillionen von Bits sekündlich zwischen CPU und Arbeitsspeicher ausgetauscht. Wenn hier nur ein Bit kippt oder falsch übertragen wird, kann dies zu einem Systemausfall führen, ohne dass die Ursache hierfür identifiziert werden kann. Prozessoren wie der Intel Atom E3800, der für den Einsatz in hochzuverlässigen Systemen ausgelegt ist, bieten bei extremen Temperaturbedingungen die Option von DDR3 ECC (Error Correcting Code). Hierfür muss ein zusätzlicher DDR3-Speicherbaustein vorgesehen werden, um Check-Summen zu speichern. Der geringe Aufpreis zahlt sich jedoch in punkto Systemstabilität und hohe Datenintegrität aus. Implementiert wurde dies z.B. beim COM Express Mini basierenden Modul TQMxE38M von TQ, das sich durch Zuverlässigkeit und Langlebigkeit auszeichnet. Durch den Einsatz von COM Express-Modulen hat man nicht nur den Vorteil der Skalierbarkeit und Austauschbarkeit, sondern auch auf Systemstabilität und Robustheit.