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【ホワイトペーパー】堅牢なコンピュータ・オン・モジュール~堅牢とはどのくらい堅牢なのか?

ホワイトペーパー

耐環境(振動、衝撃、温度、湿度)向けのCOM Expressモジュール「conga-TC570r」について解説しています。

【ホワイトペーパー】堅牢なコンピュータ・オン・モジュール~堅牢とはどのくらい堅牢なのか?
このホワイトペーパーは、耐環境(振動、衝撃、温度、湿度)向けのCOM Expressモジュール「conga-TC570r」について解説しています。
ほとんどの標準的なコンピュータ・オン・モジュールは、SO-DIMMコネクタを使用してメインメモリを実装します。メインメモリは特定のアプリケーション向けにカスタマイズすることが多いため、このモジュラー方式はモジュールメーカーとそれを使う装置メーカーにとって適しています。しかしながら、このようなコネクタは衝撃や振動に対する耐性が十分ではありません。標準のメモリモジュールを使用した場合、応力中心距離と質量はそれほど大きくありませんが、比較的小さな振動でも、RAMの機能的な信頼性が損なわれる可能性があります。そのため、強い衝撃や振動にさらされるアプリケーションでは、より堅牢な設計が必要になります。

キーワード:PICMG, COM Express, 堅牢, 環境, 振動, 衝撃, 拡張温度, 湿度, 連続稼働, 信頼性, ミッションクリティカル

このカタログについて

ドキュメント名 【ホワイトペーパー】堅牢なコンピュータ・オン・モジュール~堅牢とはどのくらい堅牢なのか?
ドキュメント種別 ホワイトペーパー
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取り扱い企業 コンガテックジャパン株式会社 (この企業の取り扱いカタログ一覧)

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このカタログの内容

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ホワイトペーパー 堅牢とはどのくらい堅牢なのか? 堅牢なコンピュータ・オン・モジュール
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1 堅牢なコンピュータ・オン・モジュール 堅牢とはどのくらい堅牢なのか? ほとんどの標準的なコンピュータ・オン・モジュールは、SO-DIMM コネクタを使用してメインメモ リを実装します。 メインメモリは特定のアプリケーション向けにカスタマイズすることが多いため、 このモジュラー方式はモジュールメーカーとそれを使う装置メーカーにとって適しています。 しか しながら、 このようなコネクタは衝撃や振動に対する耐性が十分ではありません。 標準のメモリ モジュールを使用した場合、 応力中心距離と質量はそれほど大きくありませんが、 比較的小さな 振動でも、 RAM の機能的な信頼性が損なわれる可能性があります。 そのため、 強い衝撃や振動 にさらされるアプリケーションでは、 より堅牢な設計が必要になります。 電車や商用車、建設機械、農業機械向けには頑丈な設計が必要です たとえば、 鉄道貨物の業界では、 一般的に 0 〜 350 Hz の周波数で約 0.002g²/Hz の振動を考慮しま す。 ジェット機で発生する振動レベルは、 最大周波数 2000 Hz で 0.01 g²/Hz と大幅に高くなります。ト ラックに搭載されたシステムの場合には、 そのレベルは最大 0.02 g²/Hz にまで達します。 また、 風力 発電で使用されるようなタービンでの要求はさらに高く、 ストレスのかかる部品では、 最大 0.03 g²/ Hz になります。 このため、 衝撃や振動にさらされる 5G 基地局や電車、 ドローンなどの ほか、 多くのモバイルおよび設置型 システムの開発者は、メ インメモリを 実装するためのより良いソリューショ ンを探しています。こ れらのニーズに より、 接着剤を使ったり、 テープやス トラップによって固定して SO-DIMM コネクタが確実に機能するように し、最悪の場合でもソケットから外 れないように保持するというような、 過去のいくつかの挑戦的なソリュー 5G 基地局や風力タービンは、風や悪天候に耐える必要があります ションが開発されました。 しかし、組 込 みコミュニティが指摘しているよう
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2 堅牢なコンピュータ・オン・モジュール に、これらのソリューションはどれも問題を完全には解決できず、 ソケット自体にも影響を与えます。 ここで懸念しているのは、ラ ップトップなどで一般的に使用されている比較的安価なソケットでは、振 動によりメモリモジュールがソケット内で動くことによって、 断続的にピンの接触不良が発生し、 シス テムがクラッシュする可能性があるということです。 メモリモジュールの固定 メモリモジュールをソケットに固定するための、機 械的なソリューションはあります。た とえば、メ モリ メーカーは、S O-DIMM の端にネジ穴を設けRAM モジュールをしっかりと取り付けられるようにし て、衝撃や振動の問題を解決しています。S O-DIMM のメーカーがおこなったテスト(振動板に取り付 けて、5 0 Hz 〜 5000 Hz で、6 grms 〜 20 grms まで 2 grms ずつ増加させるランダム振動を 30 分間 続けてもそれに耐え、 問題の兆候もありませんでした。)で示されるように、 確かにこのような構造は 非常に堅牢です。同 じように、2 0 Hz 〜 2000 Hz の間で 0.04 grms/Hz の振動を与えたうえに、3 軸 それぞれに 20 grms(地球の重力の20倍)の衝撃を 1ms 以上加えた場合でも適用できます。この結果 は、こ のソリューションが非常に過酷な要件を満たすことができることを証明しており、良 いことです。 なぜなら、こ れで問題が起こるようであれば、コ ンピュータ・オン・モジュール自体がそのようなテスト に耐えられるかどうか疑わしくなるからです。し たがって、適 切な取付具を準備することが重要という ことになります。 標準規格が解決策か? さらに 2010年には、 ANSI/VITA 47 規格のすべての耐久性要件を満たす、 RS-DIMM というメザニンメ モリカードの規格もつくられました。 アイデアは素晴らしいのですが、 このテクノロジーを採用する人 は多くなかったため、 このメザニンモジュールが使用されているのを目にすることはほとんどありませ ん。 取り付け穴のある頑丈な SO-DIMM も大量生産されていないため、 標準のものよりも高価になっ ています。 さらに、 それは機構的にも複雑になり、 ネジを手で取り付ける必要があるため、 組み立て 費用もかかります。 そのうえ、 ボードにも追加の取り付け穴が必要になるため、 さらに製造コストが 増加します。 したがって、 最善の解決策は、これらすべてをやめて、 メモリをコンピュータ・オン・モジュ ールに直接ハンダ付けすることです。 これにより、 部品表からコンポーネントが削減され、 生産の費用 対効果が高まり、 最も重要なこととして、 堅牢性が確保されます。 システムを認証するための、 メイン メモリの衝撃試験や振動試験も不要になります。 また、 ハンダ付けメモリにはさらに別の大きな利点 があり、 それは通常のメモリコネクタの場合よりも冷却が簡単になるということです。 第一に、 ハンダ 付けされた PCB の方が熱放散が優れており、 第二に、 堅牢なコンピュータ・オン・モジュールのヒート シンクは、 それぞれの堅牢性要件に合わせて特別に設計されているため、 メインメモリなどのホット スポットを熱伝導で冷却するために、 直接接触させることができるためです。 ハンダ付けの方がシンプルで優れています! これらのソリューションで使用されているテクノロジーは、 驚くべきものではありません。 結局のとこ ろ、 すべての部品を回路基板にハンダ付けすることができます。 しかしながら、 真に堅牢なソリューシ ョンを作っている装置メーカーの取り組み全体を見てみると、 それは非常に興味深いものです。 そし て、 大量生産ではなく少量多品種の場合でも、 それぞれの製品群にモジュラーコンセプトを採用する ことは非常に重要です。 このような場合、プロセッサとメモリの組み合わせが最適で、さまざまなパフ ォーマンスクラスを利用できるコンピュータオンモジュールが、 理想的なソリューションとなります。こ れらは、 専用に設計された冷却ソリューションの他、 カスタムシステムの設計者が必要とするすべて を含んだ、 アプリケーションレディのコンポーネントとして提供されます。 そして、 これらは何年も継続 して同じコンフィグレーションで供給されるため、 装置メーカーのライフサイクル管理が容易になりま す。
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3 堅牢なコンピュータ・オン・モジュール 堅牢な COM Express Type 6 コンピュータ・オン・モジュール コンガテックは最近、最新の第11世代インテル Core プ ロセッサをベースにした、 新しいコンピュータ・オン・モジ ュールのソリューションを発表しました。 これらの COM Express Type 6 コンピュータ・オン・モジュールは、 ポータ ブルおよび非固定通信機器向けの ETSI EN 300 019-1-7 、 および IEC 60721-3-7 規格に準拠しており、 商用の 7K3 、 7M2、 および産業用の 7K4、 7M2 の環境でテストされて います。 このクラスは、 中程度の屋外環境で風雨からの保 護がされていない場所や、 その条件下での移動にも適用 されます。 たとえば、 機器が直射日光や輻射熱、 周囲の空 気の動き、 結露、 降雨、 そして雨や氷以外による水にさら される可能性がある場合や、 シロアリ以外のカビや動物 などの影響を受けやすい場合などです。 また、 一般的な 汚染レベルの都市部や、 産業が地域全体に分散している 第11世代インテル Core プロセッサを搭載したコンガテックの COM 場所、 あるいは交通量が多い場所でも使用することができ Express モジュールは、過酷な環境条件下で使用することができ ます ます。 さらに、 砂やほこりが発生する場所の近くでの使用 も可能です。 飛行機やドローンは、衝撃と振動の点で最も要求の厳しいアプリケーションの一つです 関連するすべての基準に適合 衝撃と振動という観点で、これらのモジュールは、 オフロードや鉄道車両など、 条件の厳しい輸送や モビリティアプリケーションでの使用に適しています。 さらに、 衝撃や振動、 そして防火に関するすべ ての要件を満たしているため、 過酷な温度環境(-40℃ 〜 +85℃)や高湿度、 強度の機械的ストレス下 での連続稼働にも耐えられます。 コンガテックは価格重視のアプリケーション向けに、 0℃ 〜 60℃ の 拡張温度範囲向けに設計されたインテル Celeron プロセッサを搭載した、 低コストバージョンも提供 しています。 Tiger Lake マイクロアーキテクチャを搭載した新しいコンピュータ・オン・モジュールのユ ーザとしては、 列車や商用車、 建設機械、 農業用車両、 自動運転ロボット、 あるいはその他の要求の 厳しい屋外やオフロード環境向けのモバイルアプリケーションの製造メーカーがあります。 地震やそ の他のミッションクリティカルな事象に対する重要インフラ保護(CIP)のデジタル化が必要となってき ているため、 耐衝撃性や耐振性が必要な設置型の装置は、 もう1つの重要なアプリケーション分野で
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4 堅牢なコンピュータ・オン・モジュール す。 これらすべてのアプリケーションでは、 最大 4266 MT/s の超高速 LPDDR4X RAM を利用すること ができ、 コンガテックは 32、 16、 8、 あるいは 4 GBのバージョンを標準で提供しています。 要件に応じ て、 最高性能のモジュールに小さなメモリを搭載したり、 あるいはインテル Core i3-1115G4E を搭載 した性能の低いバージョンで、 8 GB を超えるRAMを搭載することも可能です。 100 台以上のバッチで あれば、 低コストで転送速度のやや遅い RAM モジュールのバージョンを用意することもできます。 シ ングルビットエラーを訂正するための、 インバンドエラー訂正コード(IBECC)と、 EMI クリティカルな 環境での高いデータ伝送品質によって、 モジュールの堅牢性が裏付けられています。 超堅牢なシステムを開発するための包括的なサポート バリューパッケージには、 COM とキャリアボードの頑丈な取り付けオプションや、 アクティブとパッシ ブ冷却オプション、湿気や結露、 硫化などによる腐食から保護するためのコンフォーマルコーティング のオプション、さらに推奨されるキャリアボードレイアウトや最大の信頼性のための拡張温度範囲対 応の耐衝撃、耐振動コンポーネントのリストが含まれています。 さらに、 このすばらしいセットには、 カ スタムシステムの衝撃と振動試験や温度スクリーニング、 高速信号のコンプライアンステスト、 デザイ ンインサービス、 そしてコンガテックの組込みコンピュータをすぐに使用するために必要なすべてのト レーニングを含む包括的なサービスが用意されています。 アドバンテージの詳細 低消費電力で高集積の新しい第11世代インテル Core SoC を搭載した新しいモジュールは、 以前の モデルと比較して大幅に高い CPU パフォーマンスと約3倍の GPU パフォーマンスを提供し、 最先端の PCIe Gen 4 をサポートしています。 最大 4 コア、 8 スレッド、 および最大 96 のグラフィックス実行ユニ ットによって、 非常に重いグラフィックスやデ ータ処理ワークロードでも、 高い並列処理ス ループットを実現すると同時に、 超堅牢な設 計になっています。 内蔵グラフィックスは、8k ディスプレイや 4x 4k をサポートするだけでな く、 畳み込みニューラルネットワーク(CNN) の並列処理ユニットとして、 あるいは AI やデ ィープラーニングのアクセラレーターとして 使用することもできます。 ベクトル・ニューラ ル・ネットワーク命令(VNNI)をサポートする、 CPU に内蔵されたインテル AVX-512 命令ユ 第11世代インテル Core プロセッサは、過酷な環境で使用するシステムのパフォーマンスを ニットは、 AI アプリケーションを高速化する、 大幅に改善します プラットフォームのもう1つの機能要素です。 インテル OpenVINO ソフトウェアツールキッ トには、 OpenCV、 OpenCL カーネル、 その他の業界ツールやライブラリへの最適化されたコールが 含まれており、 ワークロードを CPU や GPU、 FPGA コンピューティングユニット全体に分散し、 コンピ ュータービジョンやオーディオ、 音声認識システムなどの AI ワークロードを高速化します。 TDPは 12 〜 28 ワットまで対応可能で、 完全なパッシブ冷却により密閉されたシステムの設計を可能 にします。 衝撃的なパフォーマンスの、 非常に堅牢な conga-TC570r COM Express Type 6 モジュール は、 リアルタイム対応のアプリケーションに使用することができ、 Time Sensitive Networking(TSN) やTime Coordinated Computing(TCC)をサポートしており、 さらにエッジコンピューティングでの 仮想マシンの実装とワークロードの統合のために、 リアルタイムシステムズ社の RTS ハイパーバイザ をサポートしています。 第11世代インテル Core プロセッサ(コードネーム Tiger Lake)と、 ハンダ付 けされた LPDDR4X 4266 MT/s デュアルチャネル SDRAM を搭載した、 非常に堅牢な COM Express
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5 堅牢なコンピュータ・オン・モジュール Compact Type 6 モジュールには、 次の標準構成があります。 リクエストに応じてカスタマイズも可能 です。 Cores/ Frequency at Cache Graphic Processor 28/15/12W TDP, Threads (Max Turbo) [GHz] [MB] [Execution Units] Intel Core i7- 1185GRE 4/8 2,8/1,8/1,2 (4,4) 12 96 EU Intel Core i5- 1145GRE 4/8 2,6/1,5/1,1 (4,1) 8 80 EU Intel Core i3- 1115GRE 2/4 3,0/2,2/1,7 (3,9) 6 48 EU Intel Celeron 6305E 2/2 1,8 4 48 EU 新しい conga-TC570r COM Express Compact モジュールの詳細については、 以下のウェブサイトをご覧ください。 https://www.congatec.com/jp/products/com-express-type-6/conga-tc570r/. コンガテックの他のインテル Tiger Lake ソリューションに関する情報については、 以下のウェブサイトをご覧ください。 https://www.congatec.com/jp/technologies/intel-tiger-lake-modules/. 著者: アンドレアス・ベルグバウアー(Andreas Bergbauer)コンガテック プロダクトラインマネージ ャ
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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