Informatique embarquée : Les modules processeurs au

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INFO R M A T I Q U E E M B A R Q U É E
Les modules processeurs
se portent candidats à la

Men MikroElektronik lance le format de modules processeurs ESMexpress pour
répondre aux applications les plus exigeantes et souhaite en faire un standard. Il
a mis l’accent sur la robustesse notamment grâce au boîtier métallique qui protège
la carte processeur et évacue la chaleur auquel s’ajoutent des connecteurs de type
militaire et des composants soudés. Bien entendu les températures élevées et les
forts niveaux de vibrations ne lui font pas peur. Ce standard en devenir s’appuie
sur les performances du bus série PCI Express, et offre le choix de plusieurs architectures processeur. Les premiers modèles commercialisés sont disponibles avec
le processeur Atom d’Intel et le PowerQuick III de Freescale.
L
es modules processeurs se sont
généralisés pour toutes applications d’électronique et d’informatique embarquée. Toutefois, les
principales innovations restent l’apanage
d’un nombre très réduit de constructeurs.
L’allemand Men MikroElektronik est de cela. Il
fut notamment à l’initiative en 2003 du format ESM. Ces modules processeurs, au format proche des PMC (PCI Mezzanine Card),
utilisent un connecteur de type PC/104
pour relier le processeur à la carte porteuse.
Ils présentaient déjà
d’intéressantes caracL’essentiel
téristiques de durcissement, mais aujourd’hui
 ESMexpress est une
évolution du standard de
avec ESMexpress, Men
modules processeurs
MikroElektronik franchit
COMexpress, conçu pour
un nouveau pas.
les applications sévères
ESMexpress propose
ou critiques.
un nouveau facteur de
 La carte processeur est
forme compatible avec
enfermée dans un caisson
COMexpress (Computer
métallique. Il la protège
On Module express). Ce
des chocs, des vibrations et
dernier est un standard
des décharges électromadéfini par Kontron en
gnétiques, mais assure aussi
2005, aujourd’hui
l’évacuation de la chaleur.
soutenu par le consor Le format est en voie de
tium PICMG (PCI
standardisation auprès
Industrial Computer
du VITA. Il deviendra par
Manufacturers Group).
la suite Rugged System
Mais c’est surtout dans
on module Express (RSE,
le durcissement que se
ou VITA 59).
trouve la réelle nou-
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veauté. Car ESMexpress est le premier module processeur adapté à une utilisation en
environnements sévères, voire critiques.
« Nous souhaitions développer un module qui réponde à ces besoins en durcissement, explique
Barbara Schmitz, directeur marketing chez
Men MikroElektronik, car nous avions identifié un
réel manque sur ce marché particulier. Mais notre
volonté n’est pas simplement de vendre des modules
ESMexpress, nous voulons que ceux-ci deviennent de véritables standards. C’est pourquoi nous avons soumis ses spécifications
au comité de standardisation VITA. »
Après validation, les modules s’appelleront RSE (Rugged System on module Express) et porteront le nom de
code VITA 59.
Un concept conforme
aux standards existants
ESMexpress appartient à la catégorie des System On Module
(SOM), ou encore Computer On
Module (COM). Il s’agit donc
d’une carte interchangeable
sur laquelle sont installés le
processeur, le jeu de composants associés, la mémoire
vive, les contrôleurs audio
et vidéo ainsi que les différentes interfaces de communication et de stockage.
On y retrouve donc toutes
les fonctions de base d’un
ordinateur. Libre ensuite à l’industriel de
définir une carte porteuse pour son application, avec ses entrées/sorties et ses fonctions
spécifiques. La seule contrainte est donc de
laisser suffisamment de place sur la carte
pour placer le module, la position de ces
connecteurs étant standardisée. Cette dernière est conforme au standard COMexpress
du PICMG (par le biais d’un adaptateur), et
satisfait aux normesVITA 30.1 etVITA 46. La
normeVITA 30.1 concerne les cartes processeur durcies, et définit les principes à respecter pour la création de cartes refroidies par
conduction. Quant à la norme VITA 46, appelée également VPX, elle pose les principes
de la répartition des signaux sur les connecteurs à bus série. Comme son nom l’indique,
le format ESMexpress utilise un bus série PCI
Express pour les interfaces de stockage
(liaisons SATA) et de communication (ports
USB et Gigabit Ethernet). Il embarque les
technologies informatiques les
plus récentes, pour s’adapter
aux applications gourmandes
en puissance de calcul ou en
rapidité de transmission des
données.
Un durcissement
important
Malgré sa conformité avec les
autres standards du marché,
ESMexpress ne ressemble à
aucun autre format. Tout ou
presque a été repensé pour
l’adapter aux applications à
fortes contraintes. D’abord, les
modules ESMexpress offrent le
choix entre plusieurs possibilités de refroidissement. Bien
entendu, tous les systèmes emLes concepteurs du format ESMexpress ont
choisi le connecteur QSH de Samtec.
Un connecteur à haut débit, résistant aux
températures les plus extrêmes (de -55 à +125 °C).
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au format ESMexpress
standardisation
Ci-dessus, les différents éléments constitutifs d’un module
ESMexpress : le circuit imprimé et son connecteur, puis
le châssis (ou frame) et le capot. Le radiateur est optionnel,
il sera utilisé dans le cas d’un refroidissement par convection.
Sur le module “nu”, c’est-à-dire sans son boîtier, on aperçoit les contacts sur le bord du circuit imprimé. Ce sont eux qui assurent
l’évacuation de la chaleur vers le boîtier. Le modèle présenté ici est équipé du processeur Freescale (architecture PowerPC).
barqués à bord des modules de ce type fonctionneront sans ventilateur, mais selon le
processeur choisi et sa dissipation thermique,
les utilisateurs opteront pour un refroidissement par conduction ou par convection.
Cela est rendu possible par une conception
de la forme d’un caisson métallique, doté
d’un châssis (aussi appelée frame) et d’un
capot. Les deux parties sont maintenues en
position par 5 vis, et la carte processeur qui
s’insère entre les deux est munie de contacts
latéraux. Ces contacts, qui sont en lien avec
la masse du circuit imprimé, remplissent
deux fonctions : ils assurent une continuité
dans la conduction de chaleur (pour l’évacuation des calories vers l’extérieur) et le
maintien de la carte en position. De fines
cales métalliques (0,2 mm d’épaisseur)
viennent également appuyer sur les contacts.
En minimisant les jeux, elles garantissent
une bonne résistance aux vibrations. De plus,
étant donné que la carte est maintenue par
ses côtés et non par des vis, cela permet de
disposer de tout l’espace disponible sur le
circuit imprimé, soit une surface totale de
85 x 115 mm. Enfin, le caisson métallique
qui enserre la carte processeur fait office de
cage de Faraday, et isole ainsi les circuits imprimés et les composants de toute perturbation électromagnétique.
L’option de refroidissement par convection,
aussi appelée refroidissement passif, met en
œuvre un radiateur qui se fixe sur le capot
du module. Il évacue la chaleur émise par le
processeur, mais aussi celle provenant de la
carte porteuse (la base du caisson touche la
porteuse et transporte la chaleur). Le refroidissement par conduction est plus indiqué
pour les processeurs à très forte dissipation
thermique. Il s’agit alors de transmettre la
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chaleur non pas de la porteuse vers le module, mais du module vers la porteuse.
Celle-ci sera équipée de contacts spéciaux,
reliés au bâti de la machine, qui se chargeront de libérer les calories. Dans ce cas, il est
impératif que le capot soit adapté à la carte
processeur. Il doit disposer de “plots”, ou
“touches”, qui restent en contact avec les
principaux composants producteurs de chaleur. Ainsi armés, les modules peuvent accueillir des processeurs produisant 35 W de
puissance thermique dissipée.
L’autre aspect essentiel de la conception d’un
module ESMexpress concerne les connecteurs. Car contrairement à l’essentiel des
modules processeurs du marché, ceux-ci
sont durcis. Le choix s’est porté sur les modèles QSH de chez Samtec. Ce sont des
connecteurs haute densité (0,5 mm par pin)
et hautes performances (jusqu’à 18 Gbit/s
de bande passante) dont la robustesse les
certifie pour les applications militaires et
ferroviaires. Les 240 pins sont répartis en
deux connecteurs de 120 pins, ce qui améliore encore le maintien de l’ensemble. Autre
particularité : le type de plastique utilisé, le
QSH, garantit à ces connecteurs une ➜
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Comparatif entre les différents formats de modules
à bus PCI EXPRESS
Caractéristiques
ESMexpress
COM Express
XTX (ETX express)
Standard/Organisation
ANSI-VITA 59 (en cours)
PICMG COM.0
XTX Standards Organisation
Facteur de forme
Fixe : 95 x 125 mm
4 facteurs de formes différents,
Fixe : 95 x 114 mm
incompatibles entre eux :
étendu (110 x 155 mm),
basique (95 x 125 mm), micro (95 x 95 mm)
et nano (55 x 84 mm)
Répartition des pins
Fixe :
2 x 120 pins
5 répartitions différentes, incompatibles
entre elles :
2 x 220 pins
Fixe :
4 x 100 pins
Technologie de bus
Exclusivement série
Selon les versions : exclusivement série, ou
série et parallèle
Série et parallèle
Connecteur
Samtec QSH (durci, certifié militaire et
ferroviaire)
Tyco
Hirose
Résistance aux chocs et vibrations
Oui : connecteurs durcis et composants
soudés
Non : connecteur et composants classiques
Non : connecteur et composants classiques
Plage de températures
De - 55 à + 125 °C
De - 40 à + 85 °C
de - 40 à + 85 °C
Refroidissement
Conduction et convection
Pas d’indication particulière
Pas d’indication particulière
Protection CEM
Coque métallique protégeant la carte et
les connecteurs
Non
Non
Plates-formes processeurs
Multiplate-forme : x86, PowerPC, MIPS,
etc.
x86 seulement
x86 seulement
Applications
Milieux difficiles et réglementés,
applications mobiles, de sécurité
ou critiques
Pour milieux non sévères, applications non
critiques
Pour milieux non sévères, applications non
critiques
Marchés cibles
Transports, aéronautique, médical,
industrie
Industrie, télécoms, kiosques
Industrie, télécoms, kiosques
Nombre de fabricants
Moins de 10
Plus de 20
Environ 10
Lancement du concept
fin 2007
2005
2006
A l’initiative de
MEN Mikro Elektronik
Kontron
Congatec
➜ résistance aux températures pouvant aller
de - 55 °C à + 125 °C. Enfin, il est à signaler
que ces connecteurs ne transportent que des
signaux série. Il n’est donc plus possible
d’utiliser les bus PCI ou ISA classiques. Mais
les modules ESMexpress disposent toutefois
de 4 liens PCI Express simple voie (PCI
Express x1) ainsi que d’un lien 16 voies (PCI
Express x16) configurable.
Initiateur du format ESMexpress dont il souhaite faire un standard, Men MikroElektronik
est logiquement le premier à commercialiser
de tels modules. Le constructeur propose
deux modèles à architectures différentes. La
version à processeur PowerQuick III de
Freescale sera principalement conseillée pour
les applications de communication et de traitement à haute vitesse de trames réseau. Son
architecture PowerPC permet également de
bonnes performances de calcul en virgule
flottante.
Pourquoi un module pour le processeur ?
Différentes raisons expliquent le succès du concept du Computer
On Module (COM), lancé au début des années 2000. D’abord,
l’industriel se dégage de tout le savoir-faire spécifique aux
fabricants de microprocesseurs. Ingénieur ou technicien n’ont pas
à se soucier de savoir comment relier les pins d’un processeur
aux différents composants qui lui sont associés. Avec le concept
de modules, le tracé des différentes pistes sur la carte porteuse
se fait uniquement à partir de connecteurs standard, pour
lesquels la fonction de chaque pin est clairement identifiée. On
gagne ainsi beaucoup de temps à la conception, d’autant plus
qu’il devient possible de repousser à plus tard le choix définitif
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du processeur. L’industriel développe sa carte applicative et peut
s’apercevoir par la suite que les performances du processeur
ont été sous-évaluées ou au contraire surévaluées. Le COM
autorise en effet le remplacement d’un processeur par un autre
à n’importe quel moment dans le cycle de vie du produit.
A condition bien entendu de respecter le type d’architecture
(x86, PowerPC, ARM, etc.) et le nombre de cœurs du module
processeur original. Une fois qu’un facteur de forme obtient
le statut de standard et qu’il est adopté par un certain nombre
de constructeurs, la pérennité d’un système avec module
processeur est garantie sur de nombreuses années.
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Architectures Intel x86
ou Freescale PowerPC
La seconde version, quant à elle, est équipée
du nouveau processeur Intel Atom. Ce processeur, le premier à utiliser une technologie
de gravure à 45 nm, a la particularité de
n’être accompagné que d’un seul composant
annexe. La finesse de gravure aidant, la gestion de la mémoire et la gestion des entrées/
sorties ont été regroupées sur une puce unique, une première pour une architecture
x86. L’utilisation de l’Atom procure des performances relativement proches à celles d’un
Pentium M. En revanche il offre des capacités
graphiques plus avancées, et sa consommation est remarquable : elle reste inférieure à
7 Watts quelle que soit la charge CPU. Il sera
donc préféré pour les besoins d’affichage et
pour tous les systèmes mobiles, soumis à des
contraintes environnementales et à des impératifs d’autonomie.
Par le choix de ce processeur, le premier module ESMexpress bénéficie ainsi de l’impact
marketing du lancement de l’Atom. Mais
d’autres modèles sont prévus, puisque
ESMexpress est compatible avec toutes les
architectures mobiles d’Intel.
Pour les applications gourmandes en performances de traitement, des modules équipés
du jeu de composants Intel i965 seront bientôt disponibles. Ces derniers supportent les
processeurs multicœur, jusqu’à quatre
cœurs.
Pour quels types d’applications ?
Ce concept de modules durcis de Men
MikroElektronik adresse tous les marchés qui
ne pouvaient pas encore utiliser de modules
processeurs, en raison d’une robustesse insuffisante. Les secteurs d’activité visés sont
Le premier module ESMexpress adopte l’Atom
« Le nouveau processeur d’Intel est idéal
pour le standard ESMexpress », annonce
Michel Goujet, responsable Men France.
Sa compacité, sa consommation réduite
et sa faible dissipation thermique
se marient bien au système de refroidissement par conduction et à sa gamme
de températures étendue.
Principales caractéristiques du module XM1 :
 Processeur Intel Atom Z510 à 1,1 GHz ou Z530 à 1,6 GHz
 Jusqu’à 1 Go de mémoire SDRAM DDR2 soudée
 Jeu de composants US15W, avec contrôleurs graphique et sonore intégrés
 Interfaces : 1 port Gigabit Ethernet, 1 interface SATA (via convertisseur), 8 ports
USB 2.0, 1 voie PCI Express
 Plage de températures de fonctionnement : de - 40 à + 85 °C
 Consommation : 5 à 7 W
 Alimentation : 12 V

Résistance aux chocs : 15 g pendant 11 ms (norme EN 60068-2-27)
 Résistance aux vibrations : 1 g sur la bande 10 à 150 Hz (norme EN 60068-2-6)
donc naturellement ceux du militaire et des
transports ferroviaires ou aéronautiques. Le
XM50, par exemple, sera particulièrement
adapté aux fonctions de contrôle de vol et de
navigation, tandis que le XM1 sera plus à
l’aise pour gérer les différents afficheurs embarqués.Viennent ensuite les applications de
contrôle industriel (là encore pour des fonctions de communications rapides ou de visualisation), les applications médicales ainsi
que les dispositifs de sécurité comme la
vidéosurveillance, le contrôle d’accès, la gestion de trafic, etc.
L’adoption d’un format dépend de l’engouement des autres constructeurs à proposer des
produits sous leurs propres marques. Mais
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Michel Goujet, responsable de Men France,
assure que : « ESMexpress bénéficie de tous les
atouts pour s’imposer sur le marché des applications
difficiles. Et sitôt que l’organisme ANSI-VITA en
aura validé les spécifications, nous parlerons de RSE.
Le processus de certification devrait aboutir dans
neuf mois environ. Nous n’avons aucune inquiétude
quant à son succès, d’autant moins que nous pouvons
compter sur le soutien de grands constructeurs tels
que Schroff qui participe déjà au comité de certification. Et les utilisateurs finaux ne sont pas en reste,
puisque des groupes tels que Curtis-Wright, Rupert
Collins ou encore Boeing sont également moteurs
dans la certification et dans l’adoption du
format. »
Frédéric Parisot
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