【技術記事】コンピュータ・オン・モジュール規格～ライフサイクルを通しての安定性

技術記事 ライフサイクルを通しての安定性 コンピュータ・オン・モジュール規格

1 コンピュータ・オン・モジュール規格 ライフサイクルを通しての安定性 今日、コンピュータ・オン・モジュール市場では多くのことが起こっています。 SMARC 2.1 では、 低 消費電力モジュール規格の新しいバージョンがリリースされました。 また、 ハイエンドの組込みコ ンピューティング規格である COM-HPC も、 多くの新しい疑問を提起しています。 では、 装置メー カーやシステム設計者は何を知る必要があるのでしょうか？ オープンでメーカーに依存しないコンピュータ・オン・モジュール規格によって、アプリケーションのライフサイクルは数十年になります。 ETX モジュールのフォームファクタは、 純粋にレガシーバスをベースにしているにもかかわらず、今日でも新しい製品を購入することができます。 PCIe をベースとした規格では、下位互換性のおかげでさらにライフ サイクルは長くなります。 IHS Markit の市場統計によると、コンピュータ・ オン・モジュールは、 従来の組込みボードである Mini-ITX や 3.5インチ シングル・ボード・コンピ ュータ（SBC）などよりも、 広く採用されている組 込みフォームファクタです。 コンピュータ・オン・ モジュールが組込みシステム設計において幅広 く採用されている理由は、カスタマ固有のキャリ アボードを柔軟に設計できることと、 必要なすべ てのドライバやファームウェアを含めすぐに使用 でき、容易にモジュールをインテグレーションでき るという、すばらしいコンビネーションによるもの です。 このスーパーコンポーネントには、 CPU、 RAM、 高速インタフェースなど、すべての主要な コンピュータ・オン・モジュールは、組込みシステム開発のための最初 の選択肢で、従来のボードソリューションをしのぎます。

2 コンピュータ・オン・モジュール規格 構成要素が含まれており、多くの場合グラフィックスユニットも機能検証済みの単一パッケージとして 含まれています。 もう1つの利点は、同じ規格のコンピュータ・オン・モジュールにおいて、プロセッサ世 代間、およびメーカー間で自由に交換することができることです。 これにより、数年後であっても最新 のプロセッサテクノロジーを使用して柔軟にソリューションをスケーリングしたり、アップグレードする ことができます。 また、マルチベンダー戦略をとることが容易になるため、 価格面で有利なうえ、何よ りも供給性が保証されます。 モジュールの標準化については2つの独立した委員会があり、ひとつはア メリカでホストされている PICMG で、もうひとつはドイツの SGET です。 現在、この2つの組織により、 合わせて4つのコンピュータ・オン・モジュール規格が管理されており、それらのほとんどには多数の 派生規格があります。 ハイエンドセグメント向けの規格は COM-HPC と COM Express で、低消費電力 セグメント向けは SMARC と Qseven です。 ハイパフォーマンス向けの新しい COM-HPC PICMG の最新のコンピュータ・オン・モジュール規格である COM-HPC は、名前が示すように、ハ イパフォーマンス組込みコンピュータの設計を目的としており、その性能は世界をリードする COM Express 規格を上回ります。 COM-HPC は、 PCI Express 4.0 や 5.0、25 ギガビット イーサネットなど、 新しい高速インタフェースの搭載を想定しています。 コンガテックのクリスチャン・エダー（Christian Eder）議長のもと、 COM-HPC サブコミッティーによって、 2種類のモジュールバージョン、COM-HPC Server と COM-HPC Client が開発されました。 これらの主な技術的な違いは、形状、およびサポート されるインタフェースの数とタイプ、そしてメモリ容量です。 COM-HPC Server モジュール COM HPC Server COM-HPC Server は、組込みコンピューテ ィングの超ハイエンド向けの規格で、過酷な 環境において大規模なワークロードを管理 65x PCIe する必要がある新しいエッジサーバとフォグ サーバに適しています。 COM-HPC Server 2x USB 4.0 は2種類の形状が定義されており、最大64 の PCIe レーン（最大256ギガバイト/秒）と、 2x USB 3.1 最大8つのイーサネット（それぞれ25ギガビッ 4x USB 2.0 ト/秒）を実装することができます。 新しい点 2x SATA は、COM-HPC Server が x86 テクノロジーに 限定されず、RISC プロセッサや FPGA、あるい 12x GPIO は GPGU の使用も可能にすることで、これに 2x UART より、新しいモジュール化の概念が追加されま す。 サーバアプリケーションの要件を満たすた eSPI, 2x SPI めに、モジュールはマスター/スレーブ モードと SMB, 2x I2C, IPMB リモート管理も提供します。 この強力な IPMI 1x NBaseT (max. 10 Gb) 規格の命令セットを活用することで、確立され たサーバテクノロジーをサーバ・オン・モジュ 8x 25GBE KR ールでも利用できるようになります。 最大300 Power 12V DC ワットの電力バジェットを提供する COM-HPC Server モジュール規格は、 超ハイパフォーマ COM-HPC Server モジュールの主な機能：非常に多くの高速インタフェース、 卓越したネットワーク帯域幅、そしてヘッドレスサーバのパフォーマンス。 ンスの組込みエッジ、およびフォグサーバの開 発に最適です。 これに対して、今日の最も強力な COM Express Type 7 サーバ・オン・モジュールは最 大で100ワットです。もう1つの重要な違いは信号ピンの数で、COM Express のコネクタは440ピンで すが、COM-HPC では、ほぼ2倍の800ピンになっています。

3 コンピュータ・オン・モジュール規格 COM-HPC Client モジュール COM-HPC Client モジュールは、グラフィ ックスが統合されており、 ハイパフォーマ ンス組込みシステム向けに設計されてい ます。 このモジュールは3つのデジタル・デ ィスプレイ・インタフェース（DDI）と1つの embedded DisplayPor（t eDP）により、4 つのグラフィックス出力を提供します。 最 大128ギガバイトの RAM 用に、 最大4つの SO-DIMM ソケットを実装することができま す。 ペリフェラルの接続には、48の PCIe レ ーンと2つの USB 4.0 が利用可能です。 組 込みカメラモジュールは、 2つの MIPI-CSI インタフェースを介して直接接続すること もできます。 COM-HPC Client モジュール には、120 mm x 160 mm（Size C）、 120 mm x 120 mm（Size B）、 および120 mm COM-HPC Client とCOM Express Type 6 のインタフェースの違いは、主に PCIe レーンの数と 帯域幅、イーサネットインタフェース、そしてUSB ポートです。 x 95 mm（Size A）の3種類のサイズがあり ます。 世界で最も成功したモジュール規格、COM Express 最小の COM-HPC Client の形状は、125 mm x 95mm で、COM Express Basic とほぼ同じサイズで す。 これは、COM-HPC Client が COM Express のはるか上に位置し、 COM Express が対応できない アプリケーションをターゲットにしていることを示しています。 COM Express は 2005年にリリースさ れ、ここで紹介しているコンピュータ・オン・モジュール規格の中で、最も長く使われています。 この規 格では、さまざまなモジュールサイズとピンタイプが定義されています。 COM-HPC およびスモール・フ ォーム・ファクタ（SFF）モジュール規格の Qseven や SMARC とは異なり、COM Express は x86 プロセ ッサテクノロジーのみを対象としています。 COM Express Type 7 サーバ・オン・モジュール COM Express にも COM-HPC と同様に、サーバモジュールとクライアントモジュールがあります。お な じみの Type 6 がクライアントで、Type 7がサーバになります。T ype 7 サーバは COM-HPC と同様に、 グラフィックス出力のないヘッドレス サーバ・オン・モジュールで、組 込みエッジサーバやフォグサーバ 用に設計されています。特 筆すべきは、インタフェースとストレージメディア用に、最大 4x 10 GbE と、 最大 32x の高速 PCIe Gen 3.0 レーンをサポートしている点です。こ のサーバ・オン・モジュールには、 インテル® Xeon® D プロセッサ、あるいは AMD EPYC Embedded 3000 プロセッサを搭載した製品が あります。こ れらの非常にパワフルな COM Express サーバ・オン・モジュールを使った設計を簡素化す るために、コンガテックはアプリケーションレディの冷却ソリューションによる100ワットのエコシステ ムも提供します。 COM Express Type 6 コンピュータ・オン・モジュール グラフィックスを備えた従来の組込みアプリケーションでは、PICMG COM Express Type 6 モジュール が理想的です。 これには インテル® Core™ や Pentium®、 Celeron® から AMD Embedded R シリー ズまでの組込みプロセッサを搭載した製品があります。 95 mm x 125 mm（Basic）、または 95 mm x

4 コンピュータ・オン・モジュール規格 95 mm（Compact）の形状があり、440ピンのコネクタでキャリアボードに接続され、さまざまな最新 のコンピュータインタフェースを提供します。 最大4つの独立したディスプレイのほか、24の PCIe レー ン、USB 2.0 および USB 3.0、イーサネット、CANバス、シリアルインタフェースをサポートし、パワフルな PLC や HMI、製造現場のシステム、あるいはコントロールルームの SCADA ワークステーションを構築 するために必要なすべての機能を提供します。 その他のアプリケーション分野には、ハイエンドのデジ タルサイネージシステムや画像診断用の高性能医療機器が含まれます。 COM Express Type 10 Mini モジュール COM Express 規格で最小のフォームファクターである COM Express Mini は55 mm x 84 mm のサ イズで、 PICMG Type 10 ピン配置が対応しており、 SFF設計向けのCOM Express 規格です。 このモジ ュールは、 低消費電力の Intel Atom® や Celeron® プロセッサ用に設計されています。 PICMG COM Express エコシステム全体で、同じコネクタテクノロジーとデザインガイドが使用されているため、 開 発者は大部分の機能を再利用でき、このことが mini 規格の大きなアドバンテージになっています。 し Processor COM Express Mini, Type 10 Qseven (70 mm x 70 mm) SMARC 2.1 pinout (84 mm x 55 mm) µQseven (70 mm x 40 mm) (82 mm x 50 mm) Graphics interfaces Max. 2 independent Max. 3 independent Max. 3 independent LVDS 1x single channel LVDS/eDP 2x dual channel LVDS/eDP 2x dual channel LVDS/eDP/ MIPI DSI DDI 1x DVI/DP++ 1x DVI/DP++ 2x DP++ Camera inputs - 2x MIPI-CSI (flat foil connector on module) Up to 4x MIPI CSI Audio 1x HDA 1x HDA/I²S 1x HDA & 2x i²S Ethernet 1x Gbit 1x Gbit 2x Gbit Wireless - - Bluetooth & WLAN optional Storage 2x SATA 2x SATA 1x SATA Extensions PCI Express 4 lanes 4 lanes 4 lanes 2x SerDes support USB 8x USB 2.0 / 2x USB 3.0 8x USB 2.0 / 2x USB 3.0 6x USB 2.0 / 2x USB 3.0 Industrial I/Os 2x serial / CAN bus 4x serial / CAN bus 2x serial / CAN bus GPIO 8x 8x 14 SPI 1x 1x 1x LPC 1x 1x 1x eSPI SMB 1x 1x 1x I²C 1x 1x 1x Qseven と SMARC 2.1 の主な違いはインタフェースの数で、これによってアプリケーション領域が Qseven ではより深く組込みこまれるアプリケーション、SMARC 2.1 はよりビジョンにフォ ーカスした設計に分けられます。

5 コンピュータ・オン・モジュール規格 かしながら、S GET規格の SMARC や Qseven はより広く確立され、使用されており、こ れら両方の規 格では、x86 のほか、ARM アプリケーションプロセッサもサポートしています。 深く組み込む機器向けの Qseven Qseven と SMARC の寸法以外の違い（Qseven：70 mm x 70 mm; SMARC：82 mm x 50 mm）は 簡単に説明できます。 コネクタに関して Qseven は230ピンで、SMARC は314ピンを提供します。 した がって、Qseven は、IoT ゲートウェイや、コスト最適化された HMI、POS システムなどのような、 深く 組み込まれる設計に適しています。 そのため、 Qseven は最適化された産業用ペリフェラルをサポー トするために、最大2x USB 3.0、8x USB 2.0、 および最大4つのシリアルインタフェース、 または CAN バスを提供します。 それに加えて、 最大2台の MIPI-CSI カメラをフラットフォイルコネクタによりモジュ ールに接続することができます。 Qseven はさらに、 インターネット接続用のギガビットイーサネットポ ートを提供し、 最大3つの独立したディスプレイをサポートします。 現在、 コンガテックが提供している Qseven モジュールは、 Intel Atom®（ Apollo Lake）プロセッサを搭載した x86 バージョン、あるいは 新しい i.MX 8 や i.MX 8X プロセッサを搭載したARMプラットフォームの2種類があります。 組込みビジョン向けの SMARC SMARC は、ハイエンドの SFF アプリケーションに適しています。 この規格は最近、リビジョン 2.1 でメ ジャーアップデートされました。 新しいリビジョンでは、 拡張エッジ接続用の SerDes のサポートなど 多数の新機能が追加されており、モジュール上の2つの追加インタフェースは、 組込みコンピューティ ングとエンベデッドビジョンとの融合に対するニーズの高まりに対応するために、合計4台の MIPI-CSI カメラ接続用に使用することができます。 新しい機能は Rev. 2.0 と下位互換性があり、Rev. 2.0 のす べての拡張機能はオプションであるため、コンガテックのすべての SMARC 2.0 モジュールは自動的に SMARC 2.1 と互換性があることになります。 コネクタの2つの MIPI インタフェースに加えて、 SMARC のもう1つの際立った機能は、 モジュール上 で WLAN や Bluetooth などのワイヤレスインタフェースを直接サポートしていることです。 SMARC モ ジュールに理想的なプロセッサは、第5世代 Intel Atom® プロセッサ、 あるいはコンガテックが12種類 の SMARC コンピュータ・オン・モジュールで提供する、新しい i.MX 8 アプリケーションプロセッサのす べてのレンジになります。 モジュールベースの設計から標準ボードまで しかしながら、コンピュータ・オン・モジュール は、必ずしもカスタマ固有の設計を目的として いるわけではありません。 コンガテックの新し い 3.5 インチ SBC が示しているように、これら を使用して標準ボードを柔軟にスケーリングす ることもできます。 SMARC のスロットを提供す ることで、モジュールベースの設計と標準化さ れた組込みボードとの間のギャップを埋めま す。 このボードは、コンガテックのすべての NXP i.MX 8 搭載モジュールと一緒に使用するために 最適化されています。 ARM プロセッサの世界 SMARC 2.1 キャリアボードとスケーラブルな 3.5 インチ シングル・ボード・コンピュー は伝統的に独自設計で使われていることを タ：conga-SMC1は、モジュールベースの設計と非常にスケーラブルな市販の標準ボードと の間のギャップを埋めます。 考えると、この 3.5 インチ SBC を使った設計 は、 市販（COTS）の標準のボードやシステムに移行するための一歩です。 さらに、 2つのインテグレー トされた MIPI-CSI 2.0 コネクタにより、 追加のボードなしで MIPI カメラを直接接続できるため、装置

6 コンピュータ・オン・モジュール規格 メーカーはエンベデッドビジョン アプリケーションを非常に簡単に開発することができます。 装置メー カーにとってのもう1つの非常に便利な利点は、Basler などのエンベデッドビジョン パートナーのカメ ラテクノロジーを含めて、 ボードをプラグ・アンド・プレイ ソリューション プラットフォームとして使用で きることです。 これは、ボードにブートローダや OS、 対応する BSP、そしてプロセッサに最適化された Basler エンベデッドビジョン ソフトウェアが統合されているためです。 著者： ゼリコ・ロンカリック（Zeljko Loncaric）、コン ガテック マーケティングエンジニア

コンガテック（congatec）について コンガテック（congatec）は、 組込みコンピューティング製品にフォーカスする、 急速に成長しているテクノロジー企業です。 ハ イパフォーマンス コンピュータモジュールは、 産業オートメーション、 医療技術、 輸送、 テレコミュニケーション、 その他の多く の分野の幅広いアプリケーションやデバイスで使用されています。 当社は、 成長する産業ビジネスにフォーカスする、 ドイツの ミッドマーケットファンドである株主のDBAG Fund VIIIに支えられており、 これらの拡大する市場機会を活用するための資金調 達とM＆Aの実績があります。 また、 コンピュータ・オン・モジュールの分野では、 世界的なマーケットリーダーであり、 新興企業 から国際的な優良企業まで優れた顧客基盤を持っています。 コンガテックは、 ドイツのデッゲンドルフに本社を置き、 現在、 米 国、 台湾、 中国、 日本、 オーストラリア、 英国、 フランス、 チェコ共和国に事業拠点を置いています。 詳細については、 当社の Web サイト www.congatec.com/jp、 または LinkedIn、 Twitter、 YouTube をご覧ください。 本社 congatec GmbH Auwiesenstraße 5 94469 Deggendorf Germany Phone +49 (991) 2700-0 info@congatec.com www.congatec.com 子会社 congatec Asia Ltd. congatec, Inc. コンガテックジャパン株式会社 congatec China Technology Ltd. 2F., No.186, Sec. 3, 6262 Ferris Square 〒105-0013 東京都 港区 浜松町1-2-7 Sunyoung Center, 901 Building B, Chengde Rd. San Diego 浜松町一丁目ビル301 No. 28 Xuanhua Road, Changning District, 10366 Taipei, Taiwan CA 92121 USA Phone +81 (3) 6435-9250 Shanghai 200050, China Phone +886 (2) 2597-8577 Phone +1 (858) 457-2600 sales-jp@congatec.com Phone +86 (21) 6025-5862 sales-asia@congatec.com sales-us@congatec.com www.congatec.jp sales-asia@congatec.com www.congatec.tw www.congatec.us www.congatec.cn congatec Australia Pty Ltd. congatec Korea Ltd. Real-Time Systems GmbH Unit 2, 62 Township Drive Mr. Yoonsun Kim Gartenstrasse 33 West Burleigh (Yatap-Dong), #707, 88212 Ravensburg Queensland 4219, Australia 42, Jangmi-ro, Bundang-gu, Germany Phone +61 (7) 5520-0841 Seongnam-si, Gyeonggi-do, Phone +49 (751) 359558-0 sales-au@congatec.com South Korea info@real-time-systems.com www.congatec.com Phone: +82 (10) 2715-6418 www.real-time-systems.com yoonsun.kim@congatec.com セールスオフィス Southern Europe / Benelux United Kingdom / Ireland Nordics & Baltics Mr. Stéphane Mailleau Mr. Darren Larter Mr. Timo Poikonen Phone: +33 6 32 99 12 12 Phone: +44 784 581 4792 Phone: +358 40 8268 003 stephane.mailleau@congatec.com darren.larter@congatec.com timo.poikonen@congatec.com