Informatique embarquée : Les modules processeurs au

MESURES 806 - JUIN 2008 - www.mesures.com
50
S olutions
INFORMATIQUE EMBARQUÉE
Les modules processeurs au format ESMexpress
se portent candidats à la standardisation
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 archi-
tectures processeur. Les premiers modèles commercialisés sont disponibles avec
le processeur Atom d’Intel et le PowerQuick III de Freescale.
Les modules processeurs se sont
généralisés pour toutes applica-
tions d’électronique et d’informa-
tique 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 for-
mat ESM. Ces modules processeurs, au for-
mat 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 carac-
téristiques de durcisse-
ment, mais aujourd’hui
avec ESMexpress, Men
MikroElektronik franchit
un nouveau pas.
ESMexpress propose
un nouveau facteur de
forme compatible avec
COMexpress (Computer
On Module express). Ce
dernier est un standard
défini par Kontron en
2005, aujourd’hui
soutenu par le consor-
tium PICMG (PCI
Industrial Computer
Manufacturers Group).
Mais c’est surtout dans
le durcissement que se
trouve la réelle nou-
veauté. Car ESMexpress est le premier mo-
dule processeur adapté à une utilisation en
environnements sévères, voire critiques.
« Nous souhaitions développer un module qui ré-
ponde 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 de-
viennent de véritables standards. C’est pour-
quoi nous avons soumis ses spécifications
au comité de standardisation VITA. »
Après validation, les modules s’ap-
pelleront RSE (Rugged System on mo-
dule Express) et porteront le nom de
code VITA 59.
Un concept conforme
aux standards existants
ESMexpress appartient à la caté-
gorie 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 compo-
sants associés, la mémoire
vive, les contrôleurs audio
et vidéo ainsi que les diffé-
rentes interfaces de com-
munication 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 applica-
tion, 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 der-
nière est conforme au standard COMexpress
du PICMG (par le biais d’un adaptateur), et
satisfait aux normes VITA 30.1 et VITA 46. La
norme VITA 30.1 concerne les cartes proces-
seur durcies, et définit les principes à respec-
ter pour la création de cartes refroidies par
conduction. Quant à la norme VITA 46, ap-
pelée également VPX, elle pose les principes
de la répartition des signaux sur les connec-
teurs 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 possibili-
tés de refroidissement. Bien
entendu, tous les systèmes em-
ESMexpress est une
évolution du standard de
modules processeurs
COMexpress, conçu pour
les applications sévères
ou critiques.
La carte processeur est
enfermée dans un caisson
métallique. Il la protège
des chocs, des vibrations et
des décharges électroma-
gnétiques, mais assure aussi
l’évacuation de la chaleur.
Le format est en voie de
standardisation auprès
du VITA. Il deviendra par
la suite Rugged System
on module Express (RSE,
ou VITA 59).
L’essentiel
Les 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).

MESURES 806 - JUIN 2008 - www.mesures.com 51
S olutions
INFORMATIQUE EMBARQUÉE
Les modules processeurs au format ESMexpress
se portent candidats à la standardisation
barqués à bord des modules de ce type fonc-
tionneront sans ventilateur, mais selon le
processeur choisi et sa dissipation thermique,
les utilisateurs opteront pour un refroidisse-
ment 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’éva-
cuation 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 im-
primés et les composants de toute perturba-
tion 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 refroi-
dissement par conduction est plus indiqué
pour les processeurs à très forte dissipation
thermique. Il s’agit alors de transmettre la
chaleur non pas de la porteuse vers le mo-
dule, mais du module vers la porteuse.
Celle-ci sera équipée de contacts spéciaux,
reliés au bâti de la machine, qui se charge-
ront 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 cha-
leur. Ainsi armés, les modules peuvent ac-
cueillir des processeurs produisant 35 W de
puissance thermique dissipée.
L’autre aspect essentiel de la conception d’un
module ESMexpress concerne les connec-
teurs. Car contrairement à l’essentiel des
modules processeurs du marché, ceux-ci
sont durcis. Le choix s’est porté sur les mo-
dèles 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 amé-
liore encore le maintien de l’ensemble. Autre
particularité : le type de plastique utilisé, le
QSH, garantit à ces connecteurs une
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).
➜

MESURES 806 - JUIN 2008 - www.mesures.com
52
S olutions
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,
incompatibles entre eux :
étendu (110 x 155 mm),
basique (95 x 125 mm), micro (95 x 95 mm)
et nano (55 x 84 mm)
Fixe : 95 x 114 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 sou-
haite 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 trai-
tement à haute vitesse de trames réseau. Son
architecture PowerPC permet également de
bonnes performances de calcul en virgule
flottante.
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
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.
Pourquoi un module pour le processeur ?
➜

MESURES 806 - JUIN 2008 - www.mesures.com 53
S olutions
Architectures Intel x86
ou Freescale PowerPC
La seconde version, quant à elle, est équipée
du nouveau processeur Intel Atom. Ce pro-
cesseur, 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 ges-
tion de la mémoire et la gestion des entrées/
sorties ont été regroupées sur une puce uni-
que, une première pour une architecture
x86. L’utilisation de l’Atom procure des per-
formances relativement proches à celles d’un
Pentium M. En revanche il offre des capacités
graphiques plus avancées, et sa consomma-
tion 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 im-
pératifs d’autonomie.
Par le choix de ce processeur, le premier mo-
dule 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 perfor-
mances de traitement, des modules équipés
du jeu de composants Intel i965 seront bien-
tôt 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 in-
suffisante. Les secteurs d’activité visés sont
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 em-
barqués. Viennent ensuite les applications de
contrôle industriel (là encore pour des fonc-
tions de communications rapides ou de vi-
sualisation), les applications médicales ainsi
que les dispositifs de sécurité comme la
vidéosurveillance, le contrôle d’accès, la ges-
tion de trafic, etc.
L’adoption d’un format dépend de l’engoue-
ment des autres constructeurs à proposer des
produits sous leurs propres marques. Mais
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 refroidisse-
ment 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)
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 certifi-
cation. 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