硬科技:科科們了解物聯網前需要知道工業電腦嵌入式電腦模組

2021.01.04 06:29PM
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照片中提到了NANUA IH、NANYAII、NANYAI14,包含了網絡接口控制器、母板、電腦硬件、COM Express、電腦

物聯網 (IoT, Internet of Things) 概念從1980年代初期發展至今,隨著因為「根本不是定律的摩爾定律」而突飛猛進的半導體製程技術、多樣化的低功耗無線網路、機器對機器 (M2M) 通訊協定的標準化、解決網路位址不足宿疾的IPv6、利於集中控管的軟體定義網路 (SDN)、以及運算容器化 (Container) 從雲端延伸到邊緣 (Edge),不知不覺中逐漸融入了人類的生活。

近年來,因人工智慧應用普及化加上武漢肺炎 (COVID-19) 擴大人力缺口,逼使以電商和製造業為主的眾多產業,不得不佈署更多的無人搬運車 (AGV) 和自主移動機器人 (AMR),更讓具備可在嚴苛環境長時間穩定運作的小型工業化電腦,變得越來越不可或缺。

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照片中提到了物聯網技術路線圖、軟硬體整合(軟體、代理程式、感測器},包含了角度、物聯網、互聯網、數據、電腦

除了超小型工業電腦主機板,更常見的是所謂的嵌入式系統模組 (SOM, System On Module,或著稱為COM, Computer On Module) :如同信用卡大小的尺寸 (85.6 x 53 mm),如時下的COM Express、Qseven、和配合Intel “Apollo Lake”而演進的SMARC 2.0。有別於一般的主機板,這些SOM規範透過金手指傳輸I/O訊號,以縮減體積,並提高系統的設計彈性。

照片中提到了COM Express Compact、95 x 95 mm?、王,包含了外形尺寸、母板、電子產品、智能交通架構、COM Express

但「信用卡大小」的x86處理器模組的歷史,卻早在1998年的DIMM-PC就開始了,也是第一個標準化的SOM規格,尺寸為40 × 60 mm,採用144針腳的DIMM記憶體插槽和ISA匯流排,整合包括鍵盤、軟碟、IDE光碟、LPT印表機界面和序列埠。

相信科科也可想像得到,如此受限的尺寸和規格,其應用彈性和效能表現也是限制重重,除了只能搭載超低功耗的嵌入式x86處理器,像時脈133MHz的AMD SC520、40MHz的ALI 386SX和100MHz的STPC Elite等,缺乏像樣的繪圖效能更是致命的缺陷。隨後的高效能低功耗處理器,如Intel Pentium M,封裝面積更是大到讓DIMM-PC幾乎塞不下 (像Pentium M的BGA/uPGA就比Pentium III大上不少),註定了默默消失的命運。

照片中提到了327RG、AMD、ElanSC520-133AC,跟Advanced Micro Devices公司有關,包含了調光PC 520、顯卡、電腦硬件、個人電腦、內存條

SOM的發展腳步並沒有就此停下,2000年的ETX (95 x 114 mm) 追加PCI匯流排,2003年的ETX Express (XTX,放棄ISA換取PCI Express、SATA和LPC) 和2005年的COM Express (95 x 125 mm,補上PCI Express) 則,三者的尺寸都遠大於DIMM-PC。

此外,如各位科科所知,二十一世紀初期的處理器使用模式,也產生了巨大的變化,筆記型電腦、平板電腦和智慧型手機的興起,讓制定新一代SOM規範時,需要同時考慮既有x86和ARM ARC MIPS RISC-V等嵌入式RISC處理器的需求。

照片中提到了CPU、1G、oqui,包含了樹莓派3、Raspberry Pi 3模型B、樹莓派、ARM Cortex-A53、電腦

由超過150家電腦廠商共同組成的PICMG (The PCI Industrial Computer Manufacturers Group),有鑑於COM Express Basic (95 x 125 mm) 和COM Express Compact (95 x 95 mm) 已難以滿足更小型化系統的需求,經過一番內部角力 (應該吧,沒有才奇怪),在2012年批准了COM Express Mini (84 x 55 mm)。也因為COM Express長期靠著x86生態系統而枝繁葉茂,成為最常用也最成熟的SOM規範。

即使模組的腳位定義排列不同,COM Express Mini的產品研發人員,還是可以重複使用大量現有的設計。也因此,從Intel Atom一路到Xeon D,COM Express一直是x86處理器最常「登陸」的SOM規格。

不過SOM的規格制定組織也並僅PICMG一家別無分號,COM Express也累積了不少因維持相容性而難以避免的包袱,加上這些規格背後充滿了處理器廠商和工業電腦大廠之間的利益衝突,嵌入式技術標準化組織 (Standardization Group for Embedded Technologies, SGET) 也提出了Qseven和SMARC (Smart Mobility ARChitecture),更適合ARM體系的嵌入式處理器。

像COM Express Mini Type 10僅僅提供220支腳位,但更小的Qseven (70 × 70 mm) 就可供給230支,追求更強大多媒體應用的SMARC (82 x 50 mm) 更高達314支、保留板上放置無線網路接收器和M.2 1216無線網卡的區域、並支援2組GbE可分離資料和控制網路以提昇安全性,優勢不言可喻。

照片中提到了Qseven、142 mm snm、1.2 mm,包含了圖、七、模塊計算機、電腦、ARM架構

SGET同時推出Qseven和SMARC有其「互補」的意圖,光從尺寸就足以理解,Qseven非常適合功耗上限不超過12W的超緊緻的嵌入式系統,後來還衍生出更小的uQseven (70 × 40 mm),SMARC則更加適合數位電子看板、交通裝置娛樂和自動販賣機。回過頭來,看似比較落伍的COM Express Mini,卻享有更成熟完整的產業生態系統。

工業電腦是個高度客製化且產品壽命極長的特殊產業領域,也讓這3種規格一直共存共榮。像Intel也沒有放棄擺明為ARM而生的Qseven和SMARC,尤其SMARC 2.0的規格,明顯受到Intel “Apollo Lake” 的「影響」 (雖然這樣講很可能很多人會很有意見)。

為了方便科科們理解這三者的不同,筆者還是得爆肝整理以下的規格概要,供各位科科參閱。

照片中提到了COM Express Mini,、Туре 10、Qseven,包含了音樂、自動機、亞馬遜網、亞馬遜音樂、停車場

最後,無時無刻圍繞著你我,卻經常視而不見 (想看也看不到) 的工業級電腦應用,並不是篇短短的科科文即可功德圓滿的巨大主題,已存在於市場的SOM也不限於COM Express (有好幾種規格)、Qseven和SMARC這3種,像Intel針對數位電子看板最佳化的Smart Dispay Module (SDM),就從2010年由NEC、Intel和微軟3家聯手的OPS (Open Pluggable Specification) 進化而來。

在未來,只要人工智慧和物聯網應用持續普及下去,假以時日,搞不好各位科科還會比不學無術的筆者更熟悉這些奇怪的產品。科科。

 

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