Autor: Martin Unverdorben, Technical Information Manager de Tria Technologies
La oferta de módulos informáticos embebidos de alto rendimiento y con un consumo eficiente nunca ha sido tan amplia para los desarrolladores. Las numerosas opciones disponibles permiten disponer del tamaño, el rendimiento y el coste adecuados sin necesidad de hardware a medida ni de incurrir en los costes de ingeniería no recurrentes que caracterizan al complejo diseño a nivel de componente. Una ventaja añadida de esta proliferación es la decisión en muchos casos, por parte de los proveedores, de adoptar estándares abiertos en lugar de intentar crear una cuota de mercado basada en productos limitados de carácter propietario.
Si bien algunos formatos propietarios han tenido éxito en el mercado y se utilizan de manera generalizada, las plataformas abiertas también ofrecen importantes ventajas que dotan a los desarrolladores de buenas razones para escoger un formato como SMARC frente a un formato propietario de características muy similares.
Las plataformas abiertas a nivel de placa tienen mucho en común con el software de código abierto. En ambos casos se han sometido a la evaluación de ingenieros experimentados de muchas empresas y sectores industriales que aportan sus conocimientos sobre diseño informático para orientar las decisiones de tipo mecánico, térmico y de integridad de señal en las que se basan las especificaciones de una plataforma abierta. Una plataforma propietaria crea una dependencia de las decisiones efectuadas por el equipo de un solo suministrador que puede tener mucha experiencias pero también puede carecer del alcance que ofrece una conocida plataforma abierta.
Las plataformas abiertas ayudan a evitar problemas a los que se enfrentan a menudo los ingenieros electrónicos, como la obsolescencia. Aunque algunos suministradores dejen de dar soporte al formato, otros seguirán proporcionando hardware nuevo. Su carácter abierto también proporciona unas condiciones equitativas a los suministradores de hardware para competir en rendimiento y rentabilidad.
Ante una oferta tan amplia, la elección puede parecer complicada al principio. Sin embargo, la disponibilidad inmediata de diferentes plataformas de hardware ha permitido que los equipos de ingeniería ajusten con precisión y sencillez la forma y la configuración de E/S para cada proyecto. La clave reside en comprender qué formato es más beneficioso para cubrir las necesidades de cada proyecto. La arquitectura COM (compute-on-module) es especialmente popular porque suma la practicidad de un módulo informático comercial a la flexibilidad de crear una tarjeta portadora a medida que cumpla los requisitos de cualquier aplicación.
El estándar COM Express, presentado por el PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG), constituye la base para estándares posteriores que utilizan el concepto COM y permiten ampliar las E/S alrededor de un núcleo de computación. Cuando se presentó COM Express, los ordenadores monoplaca o SBC (single board computers) eran el formato más popular en aquel momento. Estos SBC eran una placa de circuito impreso que contenía un procesador y diversas E/S estándar. Se pueden conectar uno o más módulos de extensión al SBC para ofrecer prestaciones de E/S a medida.
Con COM Express, un módulo contiene el procesador principal que se conecta a una tarjeta portadora. Esto permite que el usuario seleccione una tarjeta portadora adecuada o que desarrolle su propia tarjeta para que su aplicación disponga de E/S y luego se conecte al módulo informático óptimo a través del módulo estándar COM Express. Este diseño también permite adoptar módulos procesadores COM Express más potentes y económicos con el paso del tiempo sin necesidad de rediseñar la carcasa o de añadir cambios en la configuración de E/S. Dado que entre los buses de E/S principales que admite COM Express se encuentra PCI Express, el formato se adapta a aplicaciones que requieren capacidad de almacenamiento masivo, redes Ethernet y pantallas gráficas, si bien algunos diseñadores optar por emplear el formato en configuraciones autónomas (headless).
Potencia de procesamiento
Como reconocimiento del uso del formato en el diseño de PC industriales, muchos módulos COM Express se basan en procesadores x86, aunque no en exclusiva. La expansión en otras arquitecturas ha continuado con los formatos COM Express y COM HPC, destinados a aplicaciones de alto rendimiento como servidores perimetrales (edge) y nodos de IA, y que añaden otras líneas PCIe de alta velocidad.
COM Express y otros estándares COM han adoptado la arquitectura Arm más recientemente, proporcionando así nuevas opciones a los desarrolladores desde el punto de vista de la arquitectura informática. Una nueva expansión de la oferta consiste en formatos de hardware optimizados para un tamaño reducido.
Optimización del tamaño y la forma
El tamaño es un aspecto fundamental en muchos diseños. Un proyecto puede tener algunas restricciones de espacio o bien que el espacio disponible sea más pequeño que la palma de una mano para el COM. Cuando se dispone de un mayor espacio resulta más sencillo seleccionar una placa adecuada. En cambio, cuando es limitado se necesita una tarjeta portadora y la configuración más compacta puede limitar el número de funciones que se pueden incluir.
La configuración física influye sobre los factores que determinan la usabilidad. El desarrollador debe tener en cuenta si el tamaño y la forma pueden impedir la utilización de algunos tipos de E/S. Por ejemplo, los conectores USB-A ocupan bastante más espacio que los USB-C. La orientación también es importante: los formatos pequeños suelen necesitar conectores a lo largo de todo su perímetro. Esto puede resultar difícil en situaciones en las que, para facilitar el acceso, algunos conectores tendrán que estar alineados con un borde determinado. Por ejemplo, una tarjeta portadora con un módulo informático que se deba montar en una carcasa del bastidor será ventajoso si sus principales conectores están alineados con la parte delantera o trasera del módulo.
Estándares compactos
Uno de los primeros estándares que tuvieron en cuenta el tamaño fue QSeven, que tiene una forma cuadrada que mide 70 x 70mm y un nivel reducido de soporte a E/S a través de su conector de expansión. El estándar más reciente SMARC 2.0, presentado en 2016 como sustituto de QSeven, propone más opciones de tamaño a partir de las mismas especificaciones. El formato SMARC permite disponer de dispositivos IoT compactos y de otros sistemas embebidos especializados. Con sus 82 x 50mm, el formato Short SMARC es un poco más pequeño que Mini COM Express, que mide 84 x 55mm y equivale aproximadamente al 40% de la superficie del módulo Basic COM Express original. Los suministradores de módulos SMARC a menudo recurren a procesadores Arm y x86 que enfatizan la movilidad y la eficiencia energética. El conector SMARC principal ofrece un conjunto de E/S que incluye Ethernet, USB y canales típicos de E/S a nivel de dispositivo como I2C, además de cuatro líneas de PCIe.
Ejemplo de módulo com-express TRIA C6C-ASL
Si se compara con Short SMARC, la superficie de los módulos es pequeña y el módulo OSM (Open Standard Module) es más compacto por lo que se adapta mejor a IoT perimetral y otros dispositivos que requieren exigen un rendimiento elevado y un bajo consumo. Un aspecto fundamental para la reducción del tamaño es que en lugar de conectores en el módulo recurre a un encapsulado LGA. Esto exige soldar el COM a su tarjeta portadora, lo cual limita su capacidad de actualización sobre el terreno, pero mejora su resistencia frente a choques y vibraciones. El resultado es un formato más pequeño y mucho más flexible porque los módulos miden entre 30 x 15mm y 45 x 45mm. Incluso el tamaño más grande ofrece una ventaja destacable cuando se necesita un hardware compacto sobre SMARC. El resultado es un estándar versátil y preparado para al futuro destinado a módulos informáticos embebidos pequeños y de bajo coste que se puedan adaptar fácilmente para funcionar dentro de productos de muchas formas y tamaños.
Resumen sobre la selección
Aunque existen numerosos estándares que emplean la arquitectura COM, sus diferencias en cuanto a rendimiento de procesamiento, capacidad de E/S, ancho de banda y tamaño les permitirán ofrecer ventajas sustanciales respecto a otros estándares para una aplicación concreta. Fabricantes como Tria pueden proporcionar asesoramiento experto acerca del estándar idóneo para la aplicación.
