Una scelta intelligente per l’elaborazione embedded a basso consumo

Trent'anni dopo l'adozione su larga scala del personal computer, l'industria è alla vigilia di una svolta cruciale per quando concerne le apparecchiature informatiche. La tecnologia alla base del Pc Ibm e di apparecchiature similari non solo ha rivoluzionato l'elaborazione desktop, ma ha avuto importanti ricadute sull'elaborazione embedded, che in precedenza prevedeva il ricorso a costosi minicomputer o a dispositivi logici custom gravati da oneri di Nre (Non recurring engineering) spesso proibitivi. I fattori di forma dei Pc embedded hanno consentito agli integratori di sistema di implementare una pluralità di apparati destinati a molteplici applicazioni. Le piattaforme Pc più diffuse erano state progettate per consumi totali di potenza (power envelope) che variavano dalle decine di watt a oltre un centinaio di Watt. Ciò ovviamente ne impediva l'utilizzo in alcune applicazioni portatili e a basso consumo. L'utilizzo di architetture non-Pc permette di ampliare ulteriormente i vantaggi legati all'uso di piattaforme di elaborazione standard. La comparsa di architetture espressamente ideate per tablet e telefoni mobile ha segnato un punto di svolta. Tali architetture si propongono l'obiettivo di favorire la penetrazione dell'elaborazione embedded in nuovi mercati, permettendo di realizzare non solo sistemi molto efficienti in termini energetici, ma anche interfacce utente basate su touchscreen e su tecniche di riconoscimento vocale. Interfacce di questo tipo avranno un impatto notevole sui trattamenti nelle applicazioni medicali, metteranno a disposizione controlli più sofisticati per gli operatori di apparecchiature industriali e daranno l'opportunità di accedere a Internet da locazioni remote e in precedenza difficilmente raggiungibili. Ottimizzata per i mercati dei tablet e dei telefoni mobili, l'architettura Arm si propone come una valida alternativa che permette di garantire consumi massimi compatibili con le applicazioni a bassa energia per le quali non era possibile adottare fattori di forma standard, evitando in tal modo i costi associati allo sviluppo di progetti di moduli e schede custom. Contemporaneamente Arm garantisce la scalabilità richiesta per supportare lo sviluppo di piattaforme a 64 bit e per applicazioni Hpc (High Performance Computing) che permetteranno la realizzazione di server avanzati e particolarmente efficienti in termini energetici. Arm è fortemente impegnata a supportare questa nuova generazione (la terza) di sistemi elaborazione embedded.

Una rivalità “storica”

Tra gli ambienti Intel x86 e Arm esistono contrasti che si possono definire storici. Intel ha svolto un ruolo fondamentale nel definire non solo l’architettura del microprocessore principale e del set di istruzioni, ma anche l’architettura delle periferiche. Le società che forniscono prodotti per l’elaborazione embedded basati sull’architettura x86 sono state in grado di sfruttare questo know-how a livello di chip per rendere disponibili prodotti - sia proprietari sia basati su standard aperti - che adottano un’interfaccia di I/O comune. Grazie all’uso di pinout dei connettore comuni, i produttori possono attingere da una vasta gamma di periferiche compatibili a livello sia hardware sia software con le quali personalizzare i loro prodotti finali. Un esempio di standard di I/O per l’elaborazione embedded che ha riscosso un notevole successo è sicuramente Com Express. Questo fattore di forma per moduli Com (Computer-on-Module) è contraddistinto da un livello di integrazione tale da permettere l’uso di un Pc completo e compatto direttamente nell’applicazione finale come se si trattasse di componete a circuiti integrati discreto. Il modulo Com Express integra il processore principale e la memoria unitamente agli I/O standard di un Pc tipico, comprese porte Usb, audio, grafica e interfacce per connessioni Ethernet. I canali (lane) PcI Express e tutti gli altri segnali di I/O che garantiscono il supporto delle espansioni di I/O custom sono mappati su due connettori a basso profilo ed elevata densità posti sul lato inferiore del modulo Com. L’espansione di I/O ad alta velocità è la caratteristica peculiare di Com Express. Una coppia di connettori ad alta densità mette a disposizione fino a un massimo di 32 canali PcI Express, oppure più canali da utilizzare per la grafica, il collegamento in rete o la memorizzazione. Oltre a fornire un connettore che garantisce affidabilità ed elevata integrità del segnale, Com Express è un formato standard, requisito indispensabile per la realizzazione di un’ampia gamma di moduli Cpu e schede carrier di produttori differenti. La standardizzazione del pinout di I/O è stata favorita dal fatto che questo fattore di forma è stato realizzato a partire da un insieme di funzioni di I/O standard di uso molto comune. L'ambiente Arm, dal canto suo, è più complesso e differenziato. A differenza di quanto avviene nel mondo Pc, nel quale il modulo principale comprende un processore e il chipset che contiene le componenti Northbridge e Southbridge, Arm ha focalizzato le proprie risorse sullo sviluppo di SoC (System-on-Chip), ciascuno dei quali ottimizzati per una particolare applicazione. Storicamente vi è sempre stato uno scarso interesse nella definizione di I/O standard poiché ciascun SoC può essere utilizzato per lo sviluppo di schede custom. Le piattaforme Arm mettono anche a disposizione una gamma più ampia di opzioni di I/O in funzione dei vari mercati di riferimento, senza una particolare enfasi su bus standard come PcI Express. Un contesto di questo tipo ha favorito l'introduzione di un certo numero di fattori di forma proprietari e di tipologie di connettori che in pratica vincolano il cliente all'offerta di un determinato fornitore e non garantiscono il supporto per più di una generazione di silicio nel momento in cui è previsto l'uso di SoC differenti. Alcuni costruttori rivendicano l'uso di un fattore di forma standard - talvolta ottimizzando il supporto Arm in relazione a specifiche focalizzate sull'architettura x86 esistente - prevedendo comunque connettori custom aggiuntivi per garantire il supporto delle linee di I/O che non possono essere gestite dai connettori principali.

Smarc, uno standard aperto per il mondo Arm

Supportato da un buon numero di costruttori di moduli per l'elaborazione embedded, Smarc (Smart Mobility ARChitecture) definisce uno standard aperto per le soluzioni di elaborazione embedded basato su Arm ottimizzate in termini di consumi, costi e prestazioni. Smarc inoltre garantisce il supporto per tutti quei sistemi che richiedono soluzioni più compatte rispetto a quelle realizzabili mediante i fattori di forma tipici del mondo Pc. Poiché i SoC Arm non necessitano dei chip di supporto di una piattaforma Pc e assorbono una potenza inferiore, gli ingombri a bordo della scheda richiesti per le linee di alimentazione e i convertitori di potenza sono decisamente inferiori. Ciò a sua volta consente l'uso di un fattore di forma più piccolo, favorendo l'impiego dei moduli che adottano lo standard Smarc in apparecchiature portatili a basso consumo. Poiché i moduli Cpu conformi a Smarc sono caratterizzati da assorbimenti di potenza compresi tra 2 e 6W, è possibile adottare tecniche di raffreddamento passivo, con conseguenze diminuzione della complessità progettuale e del costo complessivo. Per le applicazioni più sofisticate lo standard prevede la possibilità di assorbire una potenza fino a 9W in modo continuo. Lo standard Smarc prevede l'uso del collaudato connettore Mxm dei moduli video e definisce due dimensioni per i moduli: una più piccola per progetti estremamente compatti e a bassissimo consumo di dimensioni pari a 82 x 50 mm e una di dimensioni maggiori, pari a 82 x 80 mm. Il connettore per schede supporta un massimo di 314 contatti elettrici. Per i sistemi che devono essere utilizzati in ambienti gravosi, sono disponibili versioni ad hoc del connettore in grado di resistere a sollecitazioni e vibrazioni. Il range di temperatura di funzionamento dei connettori è compreso tra −55°C e +85°C. Soluzioni alternative come quelle che adottano lo standard Q7- che tra l'altro non possono sfruttare i vantaggi dell'ecosistema Smarc a causa delle espansioni di tipo proprietario utilizzate dal ristretto gruppo di costruttori che sostengono lo standard - non sono specificati per il funzionamento in questo range di temperatura. Il sistema di connessione utilizzato dallo standard Smarc, oltre ai benefici intrinseci derivati dalla sua adozione da parte di un gran numero di produttori, assicura altri vantaggi rispetto a quello impiegati da sistemi alternativi. Il connettore Mxm assicura un'elevata integrità dei segnali come richiesto dalle interfacce seriali supportate dai SoC Arm. Ad esempio, in presenza di segnali caratterizzati da una frequenza di 2,5 GHz, tipici di interfacce PcI Express Gen 2, la perdita di inserzione del connettore è limitata a 0,5 dB. Si tenga presente che le perdite di inserzione dello schema di connessione utilizzato dai connettori Mxm della precedente generazione erano nettamente superiori e arrivavano a 3dB. Un ulteriore vantaggio dello standard Smarc rispetto ad altri formati per moduli di piccole dimensioni è il supporto di un range di tensione di ingresso più ampio, riducendo la necessità di utilizzare convertitori Dc/Dc aggiuntivi e contribuendo a diminuire i consumi. Un modulo Smarc può operare con tensioni di ingresso comprese tra 3V a 5.25V. Progettati in origine per supportare hardware di classe Pc, gli altri formati presenti sul mercato accettano tensioni di ingresso nominali di 5V. Un modulo Smarc è stato concepito per garantire un'altezza di assemblaggio complessiva (modulo e carrier board) inferiore a 7 mm. Poiché molti moduli Com sono derivati dal mondo Pc, si è diffusa l'ipotesi che tutte le schede Com devono essere utilizzate con un dissipatore di calore, con conseguente aumento dell'altezza complessiva del package. L'altezza combinata della scheda processore e del dissipatore di calore è superiore a quella del package che include sia il modulo Com sia la scheda carrier. Parecchi SoC Arm non richiedono un dissipatore di calore dedicato grazie alla ridotta dissipazione di calore complessiva. Il formato Smarc prevede questa possibilità, rendendolo particolarmente adatto per l'utilizzo in sistemi dove lo spazio rappresenta un elemento critico, come ad esempio i computer tablet. Per sfruttare adeguatamente l'ampia gamma di I/O dei SoC basati su Arm, lo standard Smarc sfrutta differenti opzioni di connessioni rispetto a quelle adottate da Com Express o Q7. Diversamente da Com Express che privilegia l'interfaccia PcI Express, lo standard Smarc supporta differenti tipi di uscite grafiche e video, bus seriali come I2C e I2S, Usb (sia client sia host), interfacce per telecamere seriali e parallele, oltre alle interfacce standard per schede di memoria flash standard come SD e eMmc. I moduli Smarc di futura introduzione supporteranno bus da campo come EtherCat, ProfiBus and Sercos. Grazie a Smarc gli integratori di sistema possono sfruttare tutti i vantaggi tipici delle opzioni di interfaccia disponibili per gli Oem che sviluppano dispositivi mobili - opzioni che solitamente non sono disponibili nei sistemi di elaborazione embedded basati sull'architettura x86. Per esempio lo standard Smarc non solo supporta un bus parallelo diretto per display adatto alla connessione a basso costo con un'ampia gamma di display Lcd di tipo Tft (Thin-Film Transistor), ma prevede anche un'interfaccia per display compatibili con le specifiche Mipi. Ciò permette di accedere ai display più piccoli ed economici tipici di smartphone e tablet, permettendo in tal modo l'uso di tali dispositivi anche in applicazioni embedded. Grazie alla sua flessibilità e alla focalizzazione sulle soluzioni Arm, lo standard Smarc supporta la realizzazione di soluzioni di tipo scalabile. Gli integratori possono scegliere tra un'ampia gamma di opzioni in termini di processori, dai processori a core singolo a bassi consumi come il core Cortex A8 con cui è equipaggiato il modulo Smarc LEC-3517 di Adlink (Lec è l'acronimo di Low-energy Embedded Computer) alle piattaforme processore a core doppio e quadruplo.

Una nuova generazione di applicazioni

Grazie alla sua focalizzazione sull'architettura di tipo Arm e al supporto di un gran numero di costruttori, lo standard Smarc rappresenta un elemento di fondamentale importanza per lo sviluppo di una nuova generazione di applicazioni di elaborazione embedded, permettendo agli integratori di sistema di realizzare tablet e altre interfacce HMI avanzati e innovativi. Lo standard Smarc è stato adottato da alcuni tra i più importanti costruttori (tra cui Kontron, Advantech, Adlink) ed è supportato da SGeT (Standardisation Group for Embedded Technologies), un gruppo indipendente che si occupa di standardizzazione delle tecnologie embedded e assicura la disponibilità di un ecosistema ampio e indipendente (quindi svincolato da un singolo produttore). L'utilizzo di moduli Smarc di produttori come Adlink comporta ulteriori vantaggi. Tutti i moduli della società sono completamente collaudati e prevedono bootloader (in pratica i programmi di avvio) validati e Bsp (Board Support Package) per i principali sistemi operativi supportati da Arm tra cui Android, Windows Embedded Compact7, Windows 8 RT, QNX, VxWorks e Linux. Il supporto per tutti questi sistemi operativi permette di risparmiare tempo prezioso in fase di ricerca e sviluppo e contribuisce a ridurre i rischi di progetto. Grazie all'introduzione della piattaforma Smarc, gli integratori di sistema possono sfruttare appieno l'intero ecosistema disponibile per i SoC Arm senza dover scendere a compromessi per quel che riguarda le opzioni di I/O o essere vincolati a uno standard promosso da un singolo costruttore, con limitate opzioni per il supporto di future evoluzioni. Grazie a Smarc, integratori di sistema e Oem possono accedere alle nuove generazioni dei processori Arm, comprese le nuove versioni a 64 bit e i prodotti multi-core avanzati. Poiché Intel, dal canto suo, è impegnata a migliorare l'efficienza energetica dei propri processori e a sviluppare un numero sempre maggiore di SoC basati sul processore Atom, anche i prodotti basati sull'architettura x86 potrebbero sfruttare in futuro i vantaggi propri del formato Smarc. Nel momento in cui prodotti di questo tipo faranno il loro ingresso nel mercato, i progettisti avranno più opzioni di scelta e potranno disporre di prodotti a basso consumo completamente compatibili. Nel momento in cui si profilano all'orizzonte le piattaforme di elaborazione embedded di terza generazione, Smarc rappresenta sicuramente la scelta più oculata e intelligente.

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