[APPLICATION TRIA TECHNOLOGIES] Le choix de modules de calcul embarqués à haute performance et à faible consommation d’énergie disponibles pour les développeurs n’a jamais été aussi large. Ces nombreuses options permettent d’adapter la taille, les performances et le coût sans avoir à recourir à du matériel personnalisé, ni à subir des coûts d’ingénierie non récurrents élevés. Par ailleurs, cette profusion incite les fournisseurs à choisir des standards ouverts, au lieu de s’engager dans des offres propriétaires plus limitées. 

Auteur : Martin Unverdorben

Responsable informations techniques

Tria Technologies

Certains des formats de modules processeur propriétaires du marché ont connu ces dernières années un succès commercial indéniable et sont largement utilisés. Mais les plateformes ouvertes présentent elles aussi des avantages considérables.

Ces derniers donnent notamment aux développeurs de bonnes raisons de choisir un format tel que le Smarc en lieu et place d’un format propriétaire disposant de fonctionnalités plus ou moins similaires.

Les plateformes matérielles ouvertes sont en fait comparables aux logiciels open-source. Les deux bénéficient de l’attention d’ingénieurs expérimentés, travaillant dans différentes entreprises et des secteurs industriels différents. Leurs connaissances en conception informatique sont précieuses pour guider les choix mécaniques, thermiques et d’intégrité des signaux qui caractérisent la spécification d’une plateforme ouverte.

Sur une plateforme propriétaire, l'utilisateur dépend plus des décisions prises par l’équipe d’un seul fournisseur, qui peut être très compétente, mais qui peut manquer du recul. De leur côté, les palteformes ouvertes permettent d’éviter notamment des problèmes récurrents en ingénierie électronique, tels que l’obsolescence.

Même si certains fournisseurs cessent de prendre en charge le format, d’autres pourront prendre le relais pour fournir un nouveau matériel. L’ouverture permet également de mettre en concurrence différents fournisseurs de matériel, afin de profiter des meilleures performances au meilleur prix possible.

Un choix aussi large peut aussi prêter à confusion

La disponibilité de plateformes matérielles standard permet aux équipes d’ingénierie d’adapter facilement la forme et la configuration d’E/S en fonction du projet en cours. La clé consiste à comprendre quel format convient le mieux aux besoins spécifiques du projet.

L’architecture COM (Computer On Module) est particulièrement populaire, car elle allie la simplicité d’un module de calcul standard à la flexibilité de pouvoir créer une carte support personnalisée pour répondre aux besoins d’une application. Introduit par le PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group), le standard COM Express a servi de base aux standards ultérieurs qui appliquent le concept COM, et permet d’étendre les entrées/sorties autour d’un cœur de calcul.

Lors de l’introduction de cartes COM Express, les ordinateurs monocartes étaient les plus répandus. Il s’agissait d’une carte contenant un processeur et une sélection d’entrées/sorties standard. Un ou plusieurs modules complémentaires pouvaient être branchés sur le SBC (Single Board Computer) pour personnaliser ces entrées/sorties.

Avec les COM Express, un module contient le processeur hôte qui se branche sur une carte porteuse. Cela permet à l’utilisateur de choisir la carte porteuse la mieux adaptée ou de développer la sienne, et disposer ainsi d’entrées/sorties propres à son application, puis de brancher le module de calcul optimal via le module COM Express standard.

Cette conception permet d’opérer la migration vers des modules de calcul COM Express plus puissants ou plus économiques sans avoir à remanier le boîtier ou gérer les modifications d’agencement des entrées/sorties.

Dans la mesure où les bus d’entrées/sorties pris en charge par le COM Express incluent le  PCI Express, ce format convient aux applications qui nécessitent un stockage considérable, des réseaux Ethernet et des écrans, même si certains concepteurs préfèrent utiliser ce format pour les configurations sans interface.

Regarder la puissance de traitement

Étant donné l’importance historique des processeurs x86, la plupart des modules COM Express sont basés sur ce format, même si cela n’est pas systématique.

L’expansion vers d’autres architectures s’est poursuivie notamment avec le format COM HPC, conçu pour les applications hautes performances, telles que les serveurs en périphérie de réseaux (edge computing) et les nœuds de traitement d'applications d'IA, car ils incluent en particulier des voies PCIe à haut débit.

Au-delà, les COM Express et les autres standards COM ont adopté l’architecture Arm plus récemment, ce qui ouvre de nouvelles possibilités de développement en termes d’architecture. Les formats matériels optimisés pour gérer des tailles compactes connaissent eux aussi un développement rapide.

Une optimisation de la taille et de la forme

La taille est un aspect fondamental dans de nombreuses conceptions. Selon les projets, l’encombrement des modules COM peut n’avoir aucune importance ou être au contraire primordial. Si vous n’avez pas de contraintes d’encombrement, il est beaucoup plus facile de sélectionner une carte.

En revanche, si l’espace est limité, vous devez trouver une carte porteuse plus petite, sachant que plus la configuration est compacte, plus elle risque de limiter les fonctionnalités possibles. La configuration physique a une influence directe sur l’utilisabilité.

Le développeur doit alors estimer l’impact des dimensions et de la forme voulues sur l’utilisation de certains types d’entrées/sorties. Par exemple, les connecteurs USB-A sont bien plus encombrants que les connecteurs USB-C.

Il faut aussi tenir compte de l’orientation : les petits formats imposent le plus souvent d’organiser les connecteurs autour de l’ensemble de leur périmètre. Cela peut être un défi dans les situations où, pour simplifier la maintenance, certains connecteurs doivent être alignés sur un bord spécifique.

Par exemple, une carte porteuse comportant un module de calcul devant être monté sur un rack deviendra plus intéressante si les connecteurs sont alignés à l’avant ou à l’arrière de ce module.

Vers des standards de plus en plus compacts

L’un des premiers standards à privilégier la taille a été QSeven, avec une forme carrée de 70 x 70 mm et une prise en charge allégée des  entrées/sorties au moyen de son connecteur d’expansion.

Le standard SMARC 2.0 est plus récent, il a été introduit en 2016 pour remplacer QSeven, et offre un plus large choix de dimensions tout en conservant les mêmes spécifications de base. Le format SMARC permet de créer des périphériques IoT compacts, ainsi que d’autres systèmes embarqués spécialisés.

Mesurant 82 x 50 mm, le format "Short" SMARC est un peu plus petit que le Mini COM Express, qui fait 84 x 55 mm et occupe environ 40 % de l’espace du module Basic COM Express d’origine.

Les fournisseurs de modules SMARC tendent à privilégier les processeurs Arm et x86 conçus pour la mobilité et l’efficacité énergétique. Le connecteur SMARC de base offre une plage d’entrées/sorties qui couvre Ethernet, USB et les canaux d’entrées/sorties types des périphériques, tels qu’I2C, ainsi que quatre voies de PCIe.

La différence d’encombrement des modules Short SMARC est relativement faible, contrairement aux modules à souder (OSM, Opne Standrd Module), ce qui fait de ces derniers une offre encore plus compacte particulièrement bien adaptée à l’IoT et tous les dispositifs nécessitant d'allier d’excellentes performances à une faible consommation.

L’un des éléments clés de la réduction de taille est l’absence de tout connecteur de module et l’utilisation à la place d’un boîtier de type LGA. Cela implique la soudure du module COM sur sa base, ce qui limite les possibilités de mise à niveau sur site, mais offre une meilleure résistance aux chocs et aux vibrations.

On obttient ainsi un format bien plus compact et flexible, car les modules mesurent entre 30 x 15 mm et 45 x 45 mm.

Mais même la plus grande taille présente un avantage significatif par rapport au SMARC lorsque du matériel compact est nécessaire. Cela permet de profiter d’un standard polyvalent, économique et pérenne pour de petits modules informatiques embarqués facilement adaptables pour des produits de formes et de tailles variées.