The Computer On Module (COM), also called "daughterboard" brings together the heart of a computer on a small module, which is inserted on a "motherboard" specifically developed to meet the constraints of an embedded system. This architecture, halfway between the specific development and integration of on shelves cards, allows for an ad hoc designs, reinforced for durability.
L’industriel, qui choisit de développer un système embarqué ou un PC industriel sur une architecture x86, a longtemps eu le choix entre deux grandes options :
- la première est celle de concevoir ou de faire concevoir le design de son produit de A à Z. Une solution coûteuse et technologiquement complexe, qui répondra parfaitement au cahier des charges du produit à réaliser, mais qui nécessite d’être amortie sur le nombre de pièces.
- la seconde est celle d’acheter une carte mère industrielle du commerce, prête à l’emploi, avec une connectique d’entrées/sorties donnée, au risque d’avoir à surmonter des problèmes divers de taille, de connecteurs, de consommation, de prix unitaire…
L’essor des architectures à base de Computer on Module (littéralement « Ordinateur sur Module ») offre depuis quelques années une solution intermédiaire entre les deux précédentes. Celle-ci gagne encore à être connue.
Qu’est-ce qu’un module COM ?
Un module concentre, sur une carte CMS de petite taille au format standardisé, le cœur d’un ordinateur : CPU, chipset, mémoire, gestion des entrées/sorties (USB, Ethernet, PCI, etc.) sans les connecteurs et sans la partie mécanique d’une carte mère industrielle traditionnelle. Appelée également carte mezzanine ou carte fille, un module a vocation à être inséré sur une carte de plus grande taille (ATX, Mini-ITX, 3,5’’, backplane PICMG).
Un format de module se définit par sa connectique et son interface permettant le dialogue avec la carte d’accueil. Cette interface est normalisée tant au niveau électrique qu’au niveau mécanique, si bien que deux modules respectant le même standard et provenant de deux constructeurs différents pourront être intervertis.
Comment l’utiliser ?
Un module vient s’intégrer sur une carte mère ou carte porteuse (carrier board). Cette carte porteuse est l’élément qui va accueillir les connecteurs d’entrées/sorties (USB, RJ45, VGA, SATA, etc.) et qui devra être fixé au châssis de la machine. La connectique pour le branchement sur la carte d’accueil pourra se matérialiser, soit par un bornier comme c’est le cas pour les modules COM Express, soit par une broche, comme c’est le cas pour les modules Qseven.
Les modules COM Express Type 6 s’emboîtent sur la carte d’accueil avec un double bornier (en noir).
Les cartes QSeven se connectent sur la carte d’accueil à l’aide d’un jeu de broches.
Afin de tirer parti de la philosophie des modules, la carte d’accueil, doit être conçue sur mesure afin de répondre aux exigences du projet en termes d’encombrement et de connecteurs d’entrées/sorties. En termes de design, la carte d’accueil est beaucoup plus simple à réaliser qu’une carte complète, ce qui permettra de gagner un temps précieux par rapport à un design entièrement propriétaire. D’autant que la plupart des fournisseurs de modules et en particulier Portwell peuvent réaliser le design de cette carte ou d’un prototype, de manière forfaitaire pour leurs clients.
Quels sont les avantages des modules COM ?
Un dimensionnement parfait en matière de taille et de connectique
C’est la grande force des architectures modulaires. La réalisation d’une carte d’accueil offre la possibilité de disposer le nombre exact de connecteurs, là où on le souhaite sur la carte d’accueil, et cela même pour des applications très spécifiques. Concernant la forme de la carte, la liberté est totale.
Cela peut s’avérer primordial dans le cas d’une application robotique dans laquelle on souhaite, par exemple, insérer le calculateur sur un bras de robot : dans cet exemple, la carte porteuse épousera donc la forme du bras. La seule contrainte inamovible est bien évidemment la place à laisser pour le module. Par rapport à l’achat d’une carte mère où tout est figé, fini les câblages difficiles, les connecteurs mal placés et les surcoûts de composants !
La pérennité des systèmes réalisés
Dans l’industrie en général, on aime bien pouvoir moderniser ses installations en minimisant les modifications techniques. Dans la plupart des projets en informatique industrielle, lorsque l’on veut moderniser le hardware, il faut souvent « tout changer ». Car lorsque l’on doit changer la carte mère, cœur de la machine, il est souvent bien difficile de trouver un nouveau modèle qui réponde aux exigences de l’application existante en matière d’entrées / sorties, de nombre de slots PCI/PCIe, etc.
Et c’est là, un atout capital des architectures modulaires. Si dès le départ, on fait le choix d’un design à base de Computer On Module, on pourra aisément faire évoluer le produit au cours du temps, en remplaçant simplement, un module ancien par un module plus récent, doté d’un processeur de dernière génération. Il y aura certainement quelques adaptations à faire au niveau logiciel (BIOS, OS) mais les conséquences seront moindres que de repartir de zéro sur un nouveau matériel. En la matière, les constructeurs d’informatique industrielle garantissent non seulement la même pérennité pour les modules que pour les autres produits (ATX, PICMG 1.3), mais aussi une pérennité de format et de gamme. En partant, aujourd’hui sur un format COM Express, on est certain de pouvoir retrouver dans quelques années des modules COM Express chez son fournisseur habituel ou chez un autre ! Car l’intérêt de la standardisation des formats modulaires permet de se prémunir également de la disparition d’une source.
Une grande souplesse pour adapter les puissances de calcul aux applications
Autre avantage : les modules permettent de faire évoluer très simplement les puissances de calcul à la hausse comme à la baisse, en fonction des évolutions de processeurs ou de chipset par simple substitution de modules. Si le constructeur a prévu l’opération au moment de la conception - à savoir la carte d’accueil est restée accessible - et si la compatibilité du système d’exploitation est acquise, ce n’est ni plus ni moins que quelques vis à dévisser, et à remettre après la pose du nouveau module.
En corollaire, les architectures modulaires facilitent, de facto, le développement d’une gamme de produits : l’ingénieur a en effet la possibilité de développer une bonne fois pour toutes sa carte d’accueil sur laquelle se trouve l’essentiel de ses contraintes mécaniques et choisit de décliner son application avec plusieurs types de modules dotés de processeurs différents. Il peut ainsi disposer facilement et rapidement de toute une gamme de produits.
Comment choisir son module ?
Comme dans tout projet d’informatique industrielle, il faut porter son attention sur quelques critères principaux avant de faire son choix.
La puissance de calcul
C’est sans doute le premier critère à prendre en compte et qui en conditionnera beaucoup d’autres. De la puissance de calcul nécessaire, dépendra en effet le choix du processeur et donc la consommation du système embarqué. De là, en découlera la possibilité d’opter pour une dissipation passive ou non. Si vous avez besoin de puissance, il faudra choisir des processeurs consommant a minima 38 W sur des modules COM Express et les doter d’un ventilateur pour les refroidir. Si votre système doit être fanless, vous devez vous orienter vers des modules SMARC, Qseven, ou COM Express Mini, moins puissants mais dont les CPUs consommeront moins de 12 W.
La taille du module
Deuxième critère fondamental, la place dont on dispose pour installer le module avec sa carte porteuse. La taille d’un module pouvant varier de 110 x 155 mm pour le COM Express Extended à 82 x 50 mm pour le SMARC en passant par 70x70 mm pour le QSeven.
Les modules COM Express et Qseven disposent d’une grande diversité de formats.
Les entrées/sorties
Les entrées/sorties constituent le troisième critère décisif à prendre en compte. Par exemple, si vous avez des besoins en PCIe x16 vous devrez obligatoirement vous tourner vers du COM Express. Autre exemple, le format ETX qui est le plus ancien des modules processeurs ne peut pas gérer des signaux modernes de type PCI Express, Serial ATA ou Gigabit Ethernet. Enfin, certains formats sont plus riches que d’autres en possibilités graphiques, vidéo et audio.
Quels sont les différents formats du marché ?
Il existe aujourd’hui une grande quantité de facteurs de forme différents. Voici un aperçu rapide des principaux formats.
ETX
Malgré son incapacité à gérer des signaux modernes de type PCI Express, SerialATA ou Gigabit Ethernet, le format ETX a été historiquement le premier format de carte mezzanine et bénéficie par conséquent d’une base installée très importante. Les industriels ne lancent plus de nouveaux projets en ETX, mais le nombre de modules déjà déployés est tellement important que les constructeurs continuent de les proposer et de faire évoluer leur offre.
COM Express
Le terme COM Express désigne, non pas un module, mais en réalité une famille de modules qui se distinguent à la fois par la connectique (type 2, 6, 10, etc.) et par la taille (Mini – 84 x 55 mm, Compact – 95 × 95 mm, Basic – 95 × 125 mm ou Extended – 110 × 155 mm). Cette famille de modules a, aujourd’hui, clairement le vent en poupe. Le fait, qu’elle fasse l’objet d’une véritable norme définie par le comité PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) y est sûrement pour beaucoup.
Pour aller plus loin :
Qseven
Le standard Qseven repose sur un facteur de forme de 70 x 70 mm ou de 40 x 70mm (microQseven) avec un connecteur spécifique MXM, utilisé pour gérer des liens série haute vitesse comme le PCI Express, le Sata, l’USB 3.0… Ce connecteur MXM est un connecteur d'interface éprouvé, couramment utilisé dans les cartes graphiques PCI Express à haut débit des ordinateurs portables. Le format Qseven est standardisé par le SGET (Standardization Group for Embedded Technologies).
Pour aller plus loin : https://www.sget.org/standards/qseven.html
SMARC
C’est le plus récent format de Computer On Module. Les SMARC (Smart Mobility ARChitecture) sont des modules de très petite taille (82mm x 50mm ou 82mm x 80mm) ciblant les applications nécessitant à la fois faible puissance, faible coût et haute performance. En termes de processeurs, c’est l’un des moins restrictifs : initialement conçu pour les architectures ARM et les processeurs RISC, ce format peut également supporter des processeurs Intel Atom x86. Seule contrainte, l'enveloppe de puissance de ce type de module ne dépasse généralement pas les 6 W. Il est également standardisé par le SGET.
Pour aller plus loin : https://www.sget.org/standards/smarc.html
Exemple de réalisation : un PC industriel pour optimiser la production d’électricité des éoliennes
Styrel a pu mettre toute son expertise en matière de module processeur au service de la société Avent Lidar Technology, filiale de Leosphere, lors du développement de son produit phare : le Wind Iris.
L’objectif du projet consistait à mettre au point un châssis IP64 embarquant un PC industriel destiné à être intégré au sein de la nacelle d’une éolienne. Ce PC industriel se connecte à un lidar (système de télédétection par laser ou radar optique) qui balaye les flux d’air en amont de l’éolienne à plusieurs centaines de mètres de distance. En fonction des calculs opérés par le PC industriel, la position de l’éolienne est réévaluée afin d’optimiser au maximum l’énergie produite par le le vent capté.
Le développement logiciel s’effectuant en parallèle du développement hardware et de la conception mécanique, le choix d’une architecture modulaire pour ce PC industriel compact s’est rapidement imposé. L’exploitation du produit et sa mise au point se déroulant sur plusieurs années, la technologie définitive au niveau CPU et E/S pouvaient être amenée à changer, en fonction de la puissance des applications. A l’issue de la phase de conception, Avent Lidar a pu intégrer la dernière génération de processeur Intel et optimiser ses entrées / sorties. Une fois la solution disponible sur le marché, le produit restait à la pointe de la technologie malgré plusieurs années de développement.
En résumé, le choix d’une architecture modulaire a permis d’alléger considérablement les contraintes technologiques.
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