Individuell, herstellerspezifisch oder Branchenstandard? Bei der Auswahl des Formfaktors für System on Modules gibt es drei Möglichkeiten mit jeweiligen Stärken und Schwächen. Der Artikel hilft bei der Auswahl des Formfaktors für das nächste Embedded-Projekt.

Bei einem System on Module (SoM) handelt es sich um ein Embedded-Computermodul, oft auch als Computer on Module (CoM) bezeichnet. Es wird auf ein Träger- oder Carrierboard gelötet oder gesteckt. Hierbei befinden sich alle relevanten Funktionen beziehungsweise Funktionseinheiten auf dem Modul. Zum Beispiel Prozessor- und Grafikeinheit, Arbeits- (DRAM) und Programmspeicher (NOR, NAND, eMMC), Takt- und Energiemanagement sowie zahlreiche Kommunikationsschnittstellen wie Ethernet, WiFi, Bluetooth, USB oder I2C. Ein SoM kapselt die wesentlichen Teile eines Embedded-Computers und ist im Gegensatz zu einem Single Board Computer (SBC) kein einsatzbereites System. Die dazu fehlenden Bestandteile wie Stromversorgung oder Steckverbinder sind auf dem SoM-Trägerboard unterzubringen.

Mit der voranschreitenden Digitalisierung und der steigenden Nachfrage nach immer leistungsfähigeren sowie kleineren Embedded-Computern, steigt die Komplexität der Systeme rapide an. Um das Entwickeln von SoMs für den Anwender zu vereinfachen, integrieren Halbleiterhersteller immer mehr Funktionen in ihren System on Chips (SoCs). Aus dem Grund sind Hersteller von SoMs gefordert, die kritischen High-speed-Komponenten sowie die große Anzahl an Verbindungen auf möglichst kleinem Raum unterzubringen und Computermodule in hoher Qualität und Stückzahl zu produzieren. Zusammenfassend beschleunigt der Einsatz von System on Modules die Produkteinführung und spart so Zeit und Kosten. Zudem ermöglichen SoMs Entwicklern die nötige Flexibilität beim Produktdesign.

(++) Normalerweise sind alle SoC-Funktionen verfügbar.

(--) Aufgrund des Familienkonzeptes sind nicht alle SoC-Features verfügbar.

(--) Aufgrund des Familienkonzeptes sind nicht alle SoC-Features verfügbar.

(--) Oft hohe Zusatzkosten aufgrund der Kompatibilität.

System on Modules bieten viele Vorteile und ermöglichen einen hohen Freiheitsgrad beim Entwickeln. Zugleich wirft deren Einsatz immer dieselbe Frage auf: Welcher SoM-Formfaktor ist der richtige für die jeweilige Applikation? Hierauf gibt es keine pauschale Antwort, jedoch hilft eine Reihe an Fragen um die Auswahl zu erleichtern. Hierzu sollte man allerdings die drei grundsätzlichen Möglichkeiten für SoM-Formfaktoren kennen: individuell, herstellerspezifisch sowie Branchenstandard. Die Vor- und Nachteile der einzelnen Möglichkeiten sind in Tabelle 1 dargestellt.

Als Spezialist für individuelle Embedded-Applikationen bietet DH electronics SoMs mit individuellem oder herstellerspezifischem Formfaktor mit SODIMM-Sockel (Bild 1) an. Als Branchenstandards im Embedded-Markt sind beispielsweise die Formfaktoren der Standardization Group for Embedded Technologies (SGET) wie SMARC oder Open Standard Module (OSM) zu nennen. Die Auswahl des Formfaktors sollte auf Grundlage der produktspezifischen Anforderungen erfolgen, wobei jede Möglichkeit ihre Vor- und Nachteile hat. Aus dem Grund spielt die Auswahl des SoM-Formfaktors eine wesentliche Rolle – Entwickler sollten sie daher unbedingt zu Beginn eines Projekts vornehmen. Hierbei hilft eine Reihe von Fragen, die entweder die SoM-Kategorie und den Formfaktor im Allgemeinen oder aber den spezifischen SoM-Anbieter betreffen.

1. Benötige ich spezielle Funktionen des gewählten SoCs, die bestimmte Standards möglicherweise nicht bieten? Zum Beispiel:

2. Welche speziellen Funktionen beziehunsweise Schnittstellen sind nötig? Zum Beispiel:

3. Welche Stückzahlen sollen produziert werden?

4. Ist eine Second Source für das Beschaffen des SoM nötig?

5. Soll das SoM später mit einem leistungsfähigeren SoM austauschbar sein?

6. Wie sind die Einbausituation sowie die Platzverhältnisse? Zum Beispiel:

7. Ist die CPU zu kühlen – und falls ja: Welche Möglichkeiten gibt es hierfür mit dem gewählten SoM?

8. Liegt bereits ein Konzept für die Stromversorgung des SoMs vor?

9. Sind Stromsparmodi vorgesehen? Wenn ja, werden sie unterstützt und welche Minimumwerte sind erreichbar?

10. Befindet sich der Flash-Speicher auf dem SoM oder ist er auf dem Mainboard anzuschließen?

11. Welche Prozessor- oder Graphics Processing Unit (GPU)-Leistung ist nötig?

Die Fragen zur SoM-Kategorie weisen bei Branchenstandard-basierten SoMs oft auf versteckte Kosten hin. Hierbei ist ein Branchenstandard jedoch nicht grundsätzlich negativ zu bewerten, allerdings sollten Entwickler die Vor- und Nachteile sorgfältig abwägen.

Des Weiteren hilft eine Reihe an herstellerbezogenen Fragen bei der Auswahl des richtigen SoM-Formfaktors. Hierbei können zum Beispiel folgende Fragen hilfreich sein:

Die herstellerspezifischen Fragen stellen oft die Software in den Vordergrund, denn sie ist besonders für die Wartung und Pflege eines Produkts über die Lebensdauer hinweg sehr wichtig. Außerdem spielen die üblichen Themen wie Verfügbarkeit und Lieferzeiten sowie der Preis eine wichtige Rolle bei der Auswahl eines geeigneten SoMs. Auf einige der oben genannten Punkte wird im Folgenden noch einmal im Detail eingegangen.

Entwickler können das Power Management entweder diskret oder mithilfe eines Power Management ICs (PMIC) realisieren. Auf die letzte Variante mit PMIC geht der Artikel nun näher ein. Die meisten SoMs geben keine Spannungen vom PMIC zurück an das Mainboard. Falls doch, dann dienen die Ausgänge meist lediglich als Referenzspannung. Einige SoMs haben jedoch den Vorteil, dass das gesamte Mainboard vom PMIC versorgt werden kann. So lassen sich die Ausgänge auf dem Baseboard zur Versorgung aller angeschlossenen Komponenten nutzen und Kosten senken, da lediglich ein Buck-Regler das SoM selbst versorgt.

Mit solch einer Lösung lassen sich einige PMIC Power Rails beim Wechseln in den Low-Power-Modus abschalten – so ist ein stromsparendes Mainboard-Design möglich. Außerdem ist das Power Sequencing mit lediglich einem einzigen Regler auf dem Mainboard, der beim Einschalten den PMIC auf dem SoM versorgt, viel einfacher. Der PMIC startet mit der speziellen Sequenzierung für den jeweiligen SoC und die Peripheriegeräte sind direkt in der Sequenzierung enthalten, da sie ebenfalls von den PMIC Power Rails gespeist werden. Hierdurch vermeidet man ein seltsames Einschaltverhalten und daraus resultierende komplexe Sequenzierungsschaltungen auf dem Mainboard. Ein Beispiel dafür ist das »DHCOR-STM32MP15« Design von DH electronics (Bild 2). Bei ihm wurden verschiedene PMIC Output Rails zum Mainboard geführt, was das Mainboarddesign erheblich vereinfacht.

Eine Kühlung des SoMs ist meist mit zusätzlichen Kosten verbunden. Zum einen benötigt sie oft viel Platz, zudem steigt mit einem Kühlkonzept die Komplexität des Montageprozesses während der Produktion. Die Zusatzkosten gelten oft als versteckte Kosten – vergleicht man lediglich die Kosten für zwei SoMs miteinander und lässt hierbei die Kosten für das Handling außer Acht. Mit der »5-Cent Cooling Solution« bietet DH electronics eine zeit-, platz- und kostensparende Kühlmöglichkeit an, die ganz ohne Kühlkörper auskommt. Hierfür leitet das Unternehmen die Wärme vom Prozessor mithilfe eines Gap Pads über eine 5-Cent große Kupferfläche und Standard-Leiterplatten-Durchkontaktierungen in die inneren Kupferschichten der Leiterplatte ab.

Zusammengefasst ist die Kühlmöglichkeit kostensparend, da lediglich ein Gap Pad erforderlich ist und keine Kosten für Kühlkörper und Montage entstehen. Außerdem ist sie platzsparend, da ein schlankes Produktdesign möglich ist und kein Platz für einen Kühlkörper eingeplant werden muss. Weiterhin spart die 5-Cent Cooling Solution Entwicklungszeit, da die Gap Pads durch einfaches Aufkleben einfach zu handeln sind. Zu guter Letzt ist es eine robuste Kühlapplikation mit geringem Gewicht, zudem stoß- und vibrationsfest.

Bei der Auswahl eines System on Modules spielen die Software und das Betriebssystem eine wichtige Rolle, wobei Linux in der Embedded-Welt eine führende Rolle einnimmt. Hierbei gilt es zwischen Open Source im Allgemeinen und Mainline Linux zu unterscheiden. Warum das so wichtig ist, erfahren Sie im folgenden Absatz.

Open Source bedeutet im Grunde, dass ein Anbieter alle Quellen bereitstellt und Unternehmen so die Software komplett selbst entwickeln können. Jedoch ist das gar nicht immer erstrebenswert, zugleich aber gut, sich diese Möglichkeit offen zu lassen. Entwickler müssen die Lizenz der verwendeten Open Source Software im Auge behalten. So steht der Linux-Kernel unter der GNU General Public License (GPL), Version 2. Sie verlangt, dass jeder, der Software, die auf Quellcode unter der Lizenz basiert, weitergibt, dem Empfänger den ursprünglichen Quellcode und alle Änderungen unter den gleichen Bedingungen bereitstellen muss.

Deshalb bedeutet Mainline Linux aufgrund der verwendeten GPL-v2-Lizenz noch viel mehr als Open Source. Alle Änderungen sind verfügbar zu machen – somit sind alle Optimierungen, Verbesserungen und Fehlerkorrekturen für alle zu jeder Zeit zugänglich. Das hat den großen Vorteil, dass weltweit Firmen und Entwickler an der Wartung von Linux arbeiten und die Abhängigkeit von lediglich einem Unternehmen entfällt. Aus dem Grund sollte das verwendete SoM mit Mainline-Support ausgestattet, also »upgestreamt« sein. Hieraus folgt, dass es in »linux-next« enthalten ist, also in der aktuellsten verfügbaren Linux-Kernel-Version. Sie ist dann theoretisch immer für diese Hardware verwendbar. In Sachen Mainline Linux sind noch einige weitere Besonderheiten zu beachten, die das Softwareteam von DH electronics in einem Beratungsgespräch erläutern kann (Bild 3).

Nicht jedes Standard-SoM passt ideal für eine spezifische Applikation. Stattdessen kann das gemeinsame Entwickeln eines individuellen SoMs zusammen mit dem Hersteller sinnvoll sein. Hier stellt sich zunächst die Frage welche SoM-Hersteller überhaupt kundenspezifische Varianten anbieten und in welchem Umfang individuelle Wünsche umsetzbar sind (kleinere Anpassungen eines bestehenden SoMs vs. komplett kundenspezifische Entwicklung). Zudem ist die Umsetzung kundenspezifischer SoM-Varianten oft erst ab einer bestimmten Stückzahl möglich.

DH electronics liefert beispielsweise kundenspezifische Varianten bereits ab 300 Stück pro Jahr. In dem Fall ist jedoch mit längeren Lieferzeiten als bei einem Off-the-shelf-Produkt zu rechnen. Im Gegenzug passt das kundenspezifische SoM optimal zur jeweiligen Applikation. Die Entscheidung für oder gegen ein kundenspezifisches SoM ist meist ein Abwägen zwischen den Faktoren Zeit, Kosten und Nachhaltigkeit.

Ob ein lötbares oder steckbares SoM zum Einsatz kommen soll, hängt stark von den Anforderungen an das Endgerät ab. Ausschlaggebend für die Entscheidung ist in der Regel die Anzahl der produzierten Geräte pro Jahr. Liegt die Stückzahl im Bereich von 1.000 bis 2.000 Stück pro Jahr ist ein steckbares SoM sinnvoll. Bei höheren Stückzahlen bieten auflötbare und damit maschinell bestückbare SoMs deutliche Vorteile. Weitere Hilfestellung bei der Entscheidung bieten folgende drei Fragen:

Viele Hersteller bieten lötbare SoMs als LGA-Variante an. Hierbei unterscheidet man zwischen LGAs ohne Lot auf den Pads und mit Lot. Ersteres ist in der Regel nicht einfach zu verarbeiten, da man mehr Lotpaste auf das Mainboard auftragen muss, um die Unebenheiten der Leiterplatte auszugleichen. Das birgt die Gefahr von Luftblasen in den Lotkugeln, was zu einer schlechten Verbindung führt. Um das Problem zu vermeiden, rät DH electronics zu LGA-SoMs mit vorverzinnten Pads oder zu SoMs mit echten BGA Balls.

An der Stelle wird nochmals auf die Unterschiede zwischen einem individuellen oder Standard-Formfaktor eingegangen. Hierbei ist es zweitrangig, ob es sich um einen herstellerspezifischen oder einen Branchenstandard handelt. Das Hauptargument für das Verwenden eines individuellen Formfaktors ist das optimierte SoM-Design auf Basis dieses SoC. Daraus ergibt sich, dass individuelle SoMs in der Regel alle Features des verwendeten SoC auch extern zur Verfügung stellen, was bei Standard-Formfaktoren meist nicht der Fall ist. Das heißt, möchte man alle Features eines SoC nutzen, ist die individuelle Lösung die beste Wahl – nicht mehr und nicht weniger.

Ein individueller SoM-Formfaktor ergibt dann Sinn, wenn der zu verwendende SoC und die benötigten Features bekannt sind. Komplexe Designteile wie Power Management und DDR-Speicheranbindung fallen weg, zudem stellt der SoM-Anbieter Software- und Design-Support bereit.

Bei SoM-Standards hat man oft das Problem, dass SoC-spezifische Features nicht auf dem Mainboard verfügbar sind, weil das Feature nicht Teil des Standards ist. Weiterhin ist Standardisierung immer mit zusätzlichen Kosten verbunden, da der SoM-Anbieter beispielsweise die Spannungspegel mit Pegelübersetzern und Ähnlichem anpassen muss. Im Gegenzug ist die Kompatibilität mit einem Standard gegeben, das heißt Entwickler können verschiedene SoMs in einem einzigen Mainboard-Design verwenden – das bringt wiederum drei große Vorteile mit sich:

Es gibt also keine richtige oder falsche Entscheidung bei der Wahl des SoM-Formfaktors. Stattdessen muss die Wahl zum Produkt, dem Lebenszyklus und den produzierten Stückzahlen passen. Eine gute Hilfe bei der Auswahl für das nächste Projekt liefern die oben genannten Fragen. Zusätzlich können im Projektverlauf weitere Fragen auftauchen. Wichtig ist, die Wahl des SoM-Formfaktors rechtzeitig und sorgfältig zu treffen. Außerdem sollten Entwickler nicht nur auf die Kosten achten, sondern ebenfalls die technischen Eigenschaften des Gesamtprodukts und den Support des SoM-Anbieters berücksichtigen.

Andreas Geisreiter ist Teil des Hardware Development Teams bei DH electronics. Als Produktmanager für die »DHSOM«-Produkte ist er erster Ansprechpartner im Bereich System-on-Modules. Dank seiner langjährigen Erfahrung berät er Kunden zu den Vorteilen, Besonderheiten und Anwendungsbereichen der DHSOM-Produkte. E-Mail: ageisreiter@dh-eletronics.com

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