FG Elektronik und Informatik (FAEL)

Die Fachgruppe Elektronik und Informatik (FAEL)
Die Fachgruppe Elektronik und Informatik (FAEL)

Wir bringen Ingenieure aus den Bereichen Elektronik, Elektrotechnik und Informatik zusammen.

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Wir publizieren regelmässig technische Artikel und Ingenierrätsel. Es würde uns freuen, wenn wir Ihren Ehrgeiz wecken und Sie für die Rätsel begeistern können! Viel Spass...

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angle-left Der gekonnte Umgang mit der Komplexität
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Der gekonnte Umgang mit der Komplexität

Moderne Computersysteme haben sich die letzten Jahren rasant weiterentwickelt. Die kurzen Zyklenzeiten sowie die hohe Komplexität stellen aber für Hersteller und Entwickler eine grosse Herausforderung dar. Der Einsatz von COM (Computer-on-Module) kann dabei helfen, Designkomplexität und Kosten zu reduzieren. Eine genaue Evaluation sowie vertiefte Kenntnisse der Materie sind aber für einen erfolgreichen Einsatz unerlässlich.
Computer on Module: Ein Überblick über den Stand der Technik

Autor: René Gisler, FG Elektronik und Informatik

Moderne Computersysteme entwickeln sich rasant weiter und so durften wir uns die letzten Jahrzehnte über stetig steigende Rechenleistung zu immer tieferen Kosten freuen. Für viele Gerätehersteller, gerade aus dem industriellen Umfeld, stellt die rasante Entwicklung aber auch eine grosse Herausforderung dar. Die modernen Computersysteme haben eine Komplexität erreicht, die nur noch für wenige hochspezialisierte Hersteller handhabbar ist. Der rasante Produktezyklus führt weiter dazu, dass gerade noch neu entwickelte Hardware nach kurzer Zeit obsolet wird und hohe Kosten für Weiterentwicklung und Qualifikation entstehen.

Unter diesen Voraussetzungen bieten COM Module einige spannende Aspekte, um Designkomplexität und Kosten zu reduzieren und gleichzeitig die Flexibilität zu erhöhen. Da ein COM Modul bereits alle Kernkomponenten eines modernen Computersystems enthält, kann sich der Geräteherstelle auf seine eigentliche Kernaufgabe konzentrieren und muss das gewählte Modul «nur» noch korrekt integrieren. Falls richtig umgesetzt, erlaubt es zudem eine gewisse Skalierbarkeit (Rechenleistung, Kosten, etc.) sowie die Austauschbarkeit von Modulen verschiedener Hersteller.

Die Wahl des passenden Standards, Hersteller und deren Integration ist aber bei weitem nicht trivial. Gerade die grosse Auswahl an Herstellern und Produkten erschwert die Orientierung zuweilen stark. Auch die korrekte Integration erfordert einiges an Fachwissen und Know-how.

Erschwerend kommt hinzu, dass viele Anbieter stark für ihre eigenen proprietären Produkte mit spezifischen Formfaktor und Pinnbelegungen werben. Oft wird das Argument des Designsupports, Qualität sowie Skalierbarkeit in den Vordergrund gestellt. Man sollte dies aber sehr genau abwägen, da man sich damit für die ganze Lebensdauer des Produktes an einen spezifischen Hersteller bindet. Bedeutend mehr Flexibilität bieten dabei Module, die nach einem Standard entwickelt und zugelassen wurden, da sie im optimalen Fall eins zu eins gegen ein Alternativmodell des gleichen oder auch eines anderen Herstellers austauschbar sind.

Computer on Module kurz erklärt

Ein Computer-on-Module (kurz COM) ist ein Rechenmodul, das alle Kernkomponenten eines gängigen PCs enthält. So enthält dieses typischerweise Prozessor, Chipsatz, Speicher, Treiber, Bios, Standard-I/Os, usw. Das COM Modul wird auf ein Trägerboard gesteckt (teilweise auch gelötet). Es gibt verschiedene Standards, die Basisfunktionalität, Formfaktor und Pinnbelegung definieren. Damit können verschiedene Hersteller kompatible COM Module anbieten.

Vorteile:

  • Die reduzierte Komplexität hilft Enwicklungskosten, Risiken und Time-to-Market zu reduzieren.
  • Das Trägerboard kann oft einfacher und mit weniger Lagen realisiert werden. Dies reduziert neben den Entwicklungskosten auch die Herstellkosten.
  • Ein Wechsel zu einer neueren Prozessortechnologie oder gar einer anderen Familie (ARM- zu x86-Prozessoren) lässt sich oft ohne Hardwaremodifikationen am Trägerboard realisieren.
  • Falls ein Modul oder der darauf eingesetzte Prozessor obsolet wird, kann das COM Modul relativ einfach ersetzt werden.
  • Die COM Module werden typischerweise in hohen Stückzahlen produziert (im Vergleich zur Applikation, in die sie eingesetzt werden). Dadurch ergeben sich Skaleneffekte, die sich positiv auf den Preis auswirken.
  • Der Wettbewerb unter den Herstellern führt zu moderaten Preisen der Module.
  • Alle namhaften Hersteller bieten Evaluationboards an. Oftmals inklusive offenem Schema und Layout. Dies hat mehrere Vorteile. So können teilweise ganze Hardwareblöcke (etwa für Standartschnittstellen wie USB, Ethernet, etc.) eins zu eins übernommen werden. Weiter kann das Softwareteam bereits in einem frühen Stadium mit der Entwicklung beginnen und muss nicht erst die Prototypen abwarten.

Nachteile:

  • Gewisse Einschränkungen beim Formfaktor.
  • Für die Verbindung (COM Modul zum Trägerboard) kommen typischerweise Stecker zum Einsatz. Diese haben systembedingt einige Nachteile wie: Bauteilkosten, Einfluss auf die Signalintegrität, etc.
  • Es werden selten alle Funktionen eines COM Moduls genutzt. Dadurch werden einige Bauteile verbaut, die für die spezifische Applikation nicht benötigt werden. Dies kann sich bei extrem hohen Stückzahlen negativ auf die Kosten auswirken

Was sollte man beachten

Eine genaue und detaillierte Evaluation von Standards und Herstellern ist unerlässlich. Viele der Vorteile von COM Modulen kommen erst zum Tragen, wenn für längere Zeit der gleiche Standard eingesetzt wird. Um so wichtiger ist es, in einer sehr frühen Projektphase die Weichen richtig zu stellen. Im Zweifelsfall lohnt sich die Beratung durch einen unabhängigen Experten.
Die meisten Modulhersteller bieten Support und Reviews an. Es lohnt sich dies, wenn auch oft kostenpflichtig, in Anspruch zu nehmen. Einerseits kennen die Modulhersteller ihre Module und die konkrete Implementierung weit über den Rahmen der Dokumentation. Anderseits sind die Modulhersteller oftmals tiefer in der Materie drin als ein Integrator. Unabhängig davon gilt, jeder Fehler der in einer frühen Projektphase ausgemerzt werden kann, verhindert teure Redesigns zu einem späteren Zeitpunkt und hilft damit, Kosten zu reduzieren.

Etablierte Standards am Markt

Der Markt entwickelt sich kontinuierlich weiter und bietet eine grosse Bandbreite an unterschiedlichen Standards an. Drei der bekannteren (COM Express, Qseven und SMARC) sollen hier kurz vorgestellt werden. Eine vollständige Auflistung aller Standards würde den Umfang dieses Artikels bei weitem sprengen.

COM Express

Ein sehr bekannter und vielverbreiteter Standard. Erstmals 2005 veröffentlicht, haben sich inzwischen verschiedene Formfaktoren (Mini, Compact, Basic & Extended) und unterschiedliche Anschlussbelegungen (Type 2, Type 6, Type 7 & Type 10 Connector) entwickelt, die eine sehr grosse Skalierbarkeit ermöglichen.

Qseven

Lange Zeit eine der besten Lösungen für kleine Systeme mit moderaten Anforderungen an die Rechenleistung. Gibt es in zwei Formfaktoren (Qseven und uQseven). Gerade die kleine Grösse (uQseven) ist mit 70x40mm für kompakte Systeme prädestiniert. Aufgrund des
«nur» 230-poligen Steckers konnte sich der Standard die letzten Jahre nicht mehr weiterentwickeln und so bietet heute SMARC eine flexiblere und zukunftsträchtigere Lösung an.

SMARC (Smart Mobility  ARChitecture)

Wie Qseven gibt es SMARC in zwei Formfakto- ren SMARC (full) und SMARC (small). SMARC Module haben einen 314-poligen Stecker, der etwas dünner ist als bei COM Express. Da- durch lassen sich dünnere Konstruktionen realisieren. Seit SMARC 2.0 bietet der Stan- dard eine sehr gute und breite Palette an Schnittstellen, die mit SMARC 2.1 nochmals erweitert wurden.

Ausblick

Die vorgestellten Standards sind gut etabliert und es finden sich für jeden diverse Produkte aus der x86 und ARM-Welt von mehreren namhaften Herstellern. Weitere Erweiterungen sind in Vorbereitung, so sind für sehr kompakte Systeme einige Standards in Arbeit, die auf verlötete COM-Module setzen. Am oberen Leistungsspektrum ist mit COM HPC ein Standard für sehr leistungsstarke COM- Module am Start, die unter anderem auch für Künstliche Intelligenz mit Deep Learning eingesetzt werden können.

Fazit

Wenn richtig gewählt, bieten COM-Module einen guten Ansatz, um modernste Computertechnologie einzusetzen, ohne sich dabei in der immensen Komplexität dieser Technologie zu verlieren. Die Entwicklungsressourcen können damit zielgerichtet in der eigentlichen Applikation eingesetzt werden.

 

 

 

Vorstandsliste

  • Michael Giger
    e-Plattformverantwortlicher
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  • Michael Giger
    Präsident
    FG Elektronik und Informatik
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  • René Gisler
    Vorstandsmitglied
    FG Elektronik und Informatik
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  • Roland Grimmer
    Vorstandsmitglied
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  • Thomas Hauser
    Mitgliederverantwortlicher
    FG Elektronik und Informatik
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  • Theodor Klossner
    Vorstandsmitglied
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  • Heinz Mathis
    Vorstandsmitglied
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  • Michael Pichler
    Quästor
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  • Oliver Schlösser
    Aktuar
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  • Oliver Schlösser
    1. Vizepräsident
    FG Elektronik und Informatik
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Präsident

Michael Giger
Dipl.Ing.FH/STV

079 473 60 40
fael@swissengineering.ch

 

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Postadresse

Fachgruppe Elektronik und Informatik
8000 Zürich

16. FAEL Herbstseminar "Künstliche Intelligenz"

Mi. 03. November 2021, 17:15 Uhr
 

Künstliche Intelligenz ist kein neues Thema. Viele Strukturen von künstlichen neuronalen Netzen stammen aus den 80er Jahren. Interessanterweise wurde diese Phase rückwirkend als Renaissance bezeichnet, weil die erste Konferenz zum Thema "Artificial Intelligence" bereits 1956 stattfand. Das jetzige Aufflammen ist also sozusagen die dritte Welle. Ein entscheidender Meilenstein waren dabei die sog. "Convolutional Neural Networks" vor etwa 10 Jahren. Ausserdem erlauben grosse Netzwerke mit riesigen Datensätzen heutzutage ein sehr umfangreiches Training entsprechender Algorithmen. Dabei erstrecken sich die Einsatzgebiete auf eigentlich alle Wissenschaftbereiche. An unserem Herbstseminar werden ausgewiesene Experten die Chancen und Risiken der künstlichen Intelligenz aufzeigen.

Übersicht aller vergangenen Herbstseminare

Südkorea

Vom 15. bis 23. Oktober 2022 wird die „Swiss Engineering Fachgruppe Elektronik und Informatik“ Universitäten und Unternehmen sowie geschichtlich wesentliche Orte besuchen, welche einen Einblick in das Erfolgsmodell des Landes ermöglichen: Wie ist es diesem einstmals bitterarmen Agrarland gelungen, zur elft-grössten Wirtschaftsmacht der Welt aufzusteigen?

Die Reiseleitung erfolgt durch Theodor und Jutta Klossner. Die Fachliche Leitung liegt in den Händen von Prof. Dr. Patrick Ziltener, Universität Zürich. Prof Ziltener ist ein ausgesprochen anerkannter Asienkenner und vermittelt den Reiseteilnehmern interessantes Hintergrundwissen.

Reiseunterlagen und Anmeldung finden Sie unter www.studienreisen.tech.

Übersicht aller Studienreisen