Comment bien choisir son calculateur embarqué ou son informatique embarquée ?

16/02/2022

En préambule et si vous souhaitez que nos architectes systèmes vous conseillent sur les bonnes pistes, il faut nous toucher quelques mots à minima sur votre application, le contexte d'utilisation, vos jalons T0/prototype/série, votre budget, … 

En effet, une multitude de paramètres vont entrer en compte pour définir quel modèle de calculateur embarqué sera le plus adapté à votre besoin :

  • Vous avez des contraintes environnementales très sévères (températures de fonctionnement étendues, chocs, vibrations, poussière, étanchéité, …) car vous développez des applications dans le domaine de la défense ou de l'aéronautique.
  • Les I/O à intégrer sont parfois spécifiques comme de l'acquisition vidéo, du multi-displays, des interfaces avioniques ou bus militaires, du FPGA, …
  • Le système d'exploitation (O.S Operating System) peut être Windows, Linux (RedHat, Debian, Ubuntu, …) mais votre choix peut aussi se porter vers des BSP (Board Support Package) comme ElinOS de SYSGO, d'autres logiciels plus spécifiques ex. de "Built in Test", de monitoring systèmes, …
  • Vous avez des besoins de pérennité parfois de 10/15 ans, le système doit être opérationnel de nombreuses années mais doit aussi être évolutif afin d'augmenter par exemple sa capacité mémoire, d'ajouter une fonction supplémentaire, ….
  • Vous cherchez un acteur expérimenté capable de vous conseiller et de vous accompagner tout au long de votre projet avec des services complémentaires tels support, suivi d'obsolescence, MCO, …
  • Vous rencontrez tout simplement des problèmes d'encombrement pour intégrer l'ordinateur dans votre équipement.
  • La connectique peut également être un sujet ennuyeux pour connecter le système à ses périphériques et vos différents capteurs, actionneurs, …
  • Vous avez besoin de performances, d'un nombre important d'I/O et il faut dissiper toute la chaleur dégagée.
  • Votre projet est un "mouton à cinq pattes" mais vous souhaitez rester sur du COTS/MOTS, de la personnalisation de calculateur sans engager des frais de développement complets coûteux & impliquant de longs délais d'études, de qualifications, …

Si par rapport aux quelques critères évoqués ci-dessus votre besoin est plutôt sur du très durci, alors vous ne trouverez pas vos réponses ici mais plutôt dans nos autres gammes nanoONYX, µONYX, ONYX, µTOPAZE (voir liens au bas de cet article).

D'autres articles à venir feront également un focus tout particulier sur nos gammes de calculateurs durcis, PC Box Fanless, …

Si votre recherche porte sur une gamme "juste au-dessous" en termes de durcissement avec des briques de base disponibles pour une grande variété d'applications et ne pas réinventer la roue alors vous êtes au bon endroit.

Cet article vous présente notre calculateur modulaire embarqué myOPALE™.

Ce système informatique peut être intégré dans des véhicules pour réaliser des mesures, du calcul, mais aussi plus largement dans l'industrie, le transport, le ferroviaire, l'énergie, … pour des applications très variées nécessitant de l'acquisition, du traitement de données, du calcul, du contrôle/monitoring de machines/équipements, du logiciel spécifique, … et dans bien d'autres cas d'usage dans l'edge computing, l'IOT, la Smart city, … 

calculateur embarqué myOpale
myOPALE™

Pourquoi un calculateur modulaire embarqué ?

myOPALE™ offre une technologie de rupture pour multiplier les capacités de vos prochains ordinateurs embarqués ceci dans un encombrement très réduit grâce à l'interconnexion par câble PCI Express® et des formats standard de 5,25'' équipés de connecteurs mini-SAS HD.

Depuis une trentaine d'année, les PC industriels utilisent deux grands types d'architecture interne, les cartes mères et les fonds de panier passifs :

  • Cartes mères ATX, mini-ITX, ... avec des slots pour les I/O PCI et PCIe connectés perpendiculairement à la carte mère.
  • Fonds de panier passifs PICMG® 1.3 et HDEC, où une carte CPU (SBC, SHB) et ses cartes d'E/S sont connectées verticalement pour offrir plus de slots d'E/S ainsi qu'un meilleur MTTR pour les systèmes industriels.
le calculateur embarqué myOpale

La principale évolution au cours des 20 dernières années a essentiellement concerné le boîtier, qui s'est rétréci, passant de racks au standard 19" 4U/2U à des Box PC, souvent appelés Shoebox, Box PC, PC Fanless, ...

Dans tous les cas, la carte CPU et ses cartes I/O sont restées physiquement et mécaniquement reliées par des connecteurs PCI, PCI Express®.

Cette interface de fond de panier de PC n'est pas optimale dans de nombreux cas :

  • Dans les châssis 19" 1U, seules deux cartes E/S peuvent être installées.
  • La fixation mécanique et le remplacement des cartes sont complexes dans les châssis 1U et 2U en raison des interconnexions de fonds de panier dites en "Riser" ou en "Butterfly".
  • La fiabilité des contacts n'est pas assurée et des NRC de personnalisation seront nécessaires dans la plupart des systèmes.
  • Les connecteurs de toutes les cartes I/O et des SBC/SHB sont situés du même côté du châssis, généralement sur l'arrière.
  • Si des connecteurs spécifiques sont nécessaires (BNC, XLR, SMA, RJ-FTV, MIL-DTL-38999...), toutes les cartes d'E/S et la CPU doivent être déplacées à l'intérieur du boîtier, et la profondeur du châssis s'en trouvera donc considérablement augmentée.
  • Il n'existe pas non plus de méthode universelle pour dissiper la chaleur résiduelle des points chauds et, dans la plupart des cas, la personnalisation du châssis entraînera aussi des NRC ainsi qu'un surcoût pour les systèmes.
  • Les systèmes personnalisés nécessiteront généralement une reconception mécanique et électronique complète.

La grande originalité du concept myOPALE™ :

La plateforme myOPALE™ d'ECRIN est basée sur quatre principes majeurs.

  • Il rompt le lien mécanique entre la carte mère de l'ordinateur et ses cartes E/S grâce à l'interconnexion PCI Express® Over Cable.
  • Il utilise des "briques de base" dans un facteur de forme standard demi-hauteur de 5,25''.
  • Il est possible de réutiliser les normes d'interconnexion universelles déployées par la SNIA (Storage Networking Industry Association) qui englobent les câbles, les connecteurs, les tailles des facteurs de forme et les dimensions des boîtiers.
  • Ces spécifications permettent des produits et des solutions multi-sources.
  • Le système de refroidissement est intégré aux briques de base.

Le PCI Express® est aujourd'hui très populaire comme interface standard de fond de panier de PC, mais il est un peu moins connu comme interface de câblage à haut débit.

Le concept myOPALE™ intègre la plupart des avantages du PCIe Over Cable.

Dans ce concept, le bus de fond de panier PCIe est conceptuellement étiré pour fonctionner sur un câble depuis le CPU jusqu'aux fonds de panier d'E/S secondaires, physiquement situés n'importe où dans le châssis.

Ainsi, il offre de nombreux avantages dans un rack 19'' 1U de faible encombrement, mais aussi des capacités très intéressantes pour d'autres formats d'intégration au-delà des limites imposées par les précédentes générations de PC industriels (voir les cas d'utilisation à la fin de cet article).

Des choix techniques pour une technologie disruptive

Le choix du connecteur Mini-SAS HD (SFF-8643) pour faire du PCIe Over Cable était aussi électriquement la meilleure solution notamment grâce à :

  • Son côté Multi source et son excellent rapport qualité/prix.
  • Produit COTS pouvant utiliser des câbles standard de 30 cm à 1 m et des connecteurs verrouillables pour une meilleure protection contre les chocs et les vibrations dans les environnements difficiles.
  • La bande passante élevée de 12Gbps pour le protocole PCI Express® Gen3 et 8 paires différentielles pour les x4 voies PCIe Gen3 permettent un débit de données élevé.
  • Huit signaux "Sideband" sont disponibles pour le contrôle entre les "briques" myOPALE-CPU et myOPALE-IO.
  • Compatibilité avec les nouveaux supports de stockage et réseaux NVM Express, disponibilité du câble adaptateur standard de Mini-SAS HD (SFF-8643) à U.2 (SFF-8639).
  • La disponibilité de cartes M.2 et PCIe x4 vers Mini-SAS HD permettra d'intégrer les modules myOPALE-IO dans des PC standards de bureau ou tour.

Sur le plan mécanique, ECRIN Systems a adopté la spécification SNIA SFF-8500 qui définit les caractéristiques de configuration associées à la baie 5.25" notamment pour les raisons suivantes :

  • Format idéal pour un montage en rack 19'' 1U (41.3mm x 146.1mm).
  • Bien adapté aux cartes d'E/S PCIe pleine hauteur.
  • Facteur de forme conforme avec la carte porteuse COM Express personnalisée.
  • Intégration facile dans les châssis de rack, de bureau ou de tour.

L'ensemble des spécifications comprend les dimensions externes, les connecteurs, l'emplacement des connecteurs, les trous de montage et les broches d'interface afin d'aider les fabricants à intégrer les systèmes.

La plateforme myOPALE™ est certifiée CE et pré-qualifiée (température de fonctionnement -10°/+55°C, humidité, altitude, chocs/MIL STD 810 G method. 516.6, vibrations/MIL STD 810 G, method. 514.6), tout complément de qualification ou autre essai peut vous être proposé.

myOPALE calculateur modulaire
myOPALE calculateur modulaire

myOPALE-CPU :

Le module CPU intègre toutes les fonctionnalités d'un computer embarqué dans un emplacement SFF 5.25'' avec une profondeur de 200mm seulement :

  • Processeur Intel® Core™ ou processeur Intel® Xeon®.
  • Jusqu'à 32 Go de mémoire DDR4 double canal avec ECC pour les processeurs Intel® Xeon®.
  • E/S sur la face avant avec 2 DisplayPort, 1 port Ethernet GbE, 4 USB 3.0, ...
  • E/S sur la face arrière avec 2 SATA3 et 3 USB 2.0 (sur connecteur Micro-Fit 24 broches).
  • Emplacement interne pour un SSD 2,5" SATA3.
  • 24 voies PCIe Gen3 via six connecteurs Mini-SAS HD (4x voies PCIe par connecteur Mini-SAS HD) qui offrent de nombreux avantages pour les systèmes industriels embarqués.
  • Alimentation 12VDC (+5Vstb pour le mode ATX).

D'autres variantes peuvent être imaginées selon vos besoins, par exemple avec des cartes processeurs sur base ATOM®, ARM, ARM, … d'autres interfaces supplémentaires (Par exemple Port Ethernet additionnel, gestion d'I/O complémentaires, …)

La conception est basée sur le standard COM Express Type 6 avec des processeurs faible consommation et durée de vie élevée de 10 ans.

24 voies PCIe Gen3 pouvant être regroupées par 8/8/4/4 ou 8/4/4/4/4 permettent de piloter jusqu'à cinq cartes d'E/S par processeur.

La carte porteuse est assez simple et se contente de conditionner les signaux et les router vers les connecteurs d'E/S.

Le protocole PCIe étant conservé de bout en bout (sans conversion), il offre des performances supérieures et ne nécessite pas de pilotes logiciels (comme d'autres tels Thunderbolt™, InfiniBand, Firewire, USB, Fiber channel, …).

Le débit et la latence, offerts par le PCIe Over Cable dans myOPALE™, sont ainsi exceptionnels.

L'alimentation peut être utilisée en mode AT ou ATX.

En mode AT, une entrée 12VDC est suffisante.

Le système de refroidissement est basé sur un mono-bloc en aluminium composé de deux zones :

  • Une plaque froide refroidie par conduction qui évacue la chaleur de son point chaud CPU
  • Des ailettes refroidies par un système de flux d'air forcé (2x ventilateurs 40mm en mode push-pull).

La température et la vitesse du ventilateur sont surveillées par le CPU embarqué.

Des signaux de contrôle "Sideband" dans le câble Mini-SAS HD permettent à myOPALE-CPU de gérer et de surveiller chaque myOPALE-IO sans câblage supplémentaire.

Les boutons d'alimentation et de réinitialisation, les voyants d'activité de stockage et de défaut sont disponibles sur la face avant et simultanément sur un connecteur arrière Micro-Fit 24 broches pour le contrôle à distance.

myOPALE-CPU
myOPALE CPU
myOPALE-CPU

myOPALE-IO :

Le module myOPALE-IO peut intégrer jusqu'à deux cartes E/S pleine hauteur dans une baie de lecteur standard de 5,25'' avec une profondeur de 200mm.

Les cartes E/S de demi-longueur seront complètement enveloppées dans le boîtier tandis que les cartes de pleine longueur dépasseront de l'arrière sans effet collatéral.

Un système de maintien/verrouillage des cartes sécurisera les modules d'E/S "Low profil" et pleine hauteur contre les chocs et les vibrations.

Deux versions de myOPALE-IO existent avec différents fonds de panier passifs, offrant :

  • Deux slots d'E/S PCIe Gen3 4x
  • Un slot d'E/S PCIe Gen3 8x

Pour les deux versions, les connecteurs PCIe sont mécaniquement au format PCIe 16x pour accepter tous les types de cartes d'E/S en PCI Express® (x1, x4, x8 et x16).

Le fond de panier de myOPALE-IO convertit le connecteur Mini-SAS HD en slot PCIe standard, prêt à accepter tout type de cartes d'E/S PCIe COTS ou Custom.

ECRIN Systems intègre également deux autres fonctions :

  • Un convertisseur DC/DC de 12VDC à 3.3VDC
  • Un système de contrôle automatique de 2 ventilateurs.

Les signaux de contrôle "Sideband" provenant du connecteur Mini-SAS HD permettent de contrôler l'alimentation électrique, de surveiller la température locale et la vitesse des ventilateurs. D'autres variantes peuvent être imaginées selon vos besoins, par exemple avec des cartes I/O spécifiques, GPGPU, …

myOPALE-IO
myOPALE-IO

Cas d'utilisation de myOPALE™ :

La possibilité d'utiliser le PCIe Over Cable à pleine performance avec une transparence logicielle totale ouvre une gamme de nouvelles possibilités d'application.

PCIe Over Cable fournit une méthode simple pour étendre les applications qui ont besoin par exemple de plus de cartes d'E/S que ce qu'il est possible de loger dans un PC industriel standard.

Le fait que les niveaux de performance du fond de panier soient disponibles via un câble élargit le modèle d'utilisation de myOPALE™ pour englober de nombreuses applications haut de gamme à un ou plusieurs châssis, y compris l'expansion des E/S avec différentes capacités d'intégration de systèmes, des sous-systèmes de réseaux de disques basés sur l'interface NVMe, des équipements de montage vidéo et audio à grande vitesse, des systèmes d'imagerie médicale, bancs de tests embarqués en environnement contraint, … et bien d'autres encore.

Associé à un écran, il vous permet par exemple de constituer un PanelPC modulaire ouvrant encore d'autres possibilités d'applications.

Ci-après, nous présentons quelques exemples d'applications où le concept myOPALE™ est démontré comme un différentiateur majeur et candidat potentiel pour vos prochains projets.

Très haute densité

Configuration basée sur un myOPALE-CPU pilotant trois myOPALE-IO, qui permet d'intégrer jusqu'à 5 cartes E/S dans un rack 19" 1U.

Nombreuses variantes : 2 systèmes en un, connecteurs E/S en face avant ou en face arrière, ...

Cette configuration basée sur un module myOPALE-CPU et trois modules myOPALE-I/O permet de proposer 5x slots d’extension dans un rack 1U !

Connecteurs personnalisés :

Le connecteur mini-SAS HD PCIe Over Cable permet de reculer les cartes d'E/S dans myOPALE-IO pour fournir des connecteurs personnalisés indépendamment de myOPALE-CPU, en face avant ou arrière.

La connexion filaire PCIe OC permet de reculer les cartes vers l’arrière pour proposer une connectique spécifique.

Blade avec slots d'extension :

Ce cas d'utilisation démontre la capacité d'intégrer un système 6 en 1 dans un rack 4U/19''.

Chaque blade peut piloter jusqu'à 2 cartes d'E/S.

Cette simulation montre la possibilité de monter un calculateur 6en1 dan un rack 19" 4U. Chaque blade dispose alors de deux slots d’extension PCIe.

myOPALE-I/O dans votre PC :

En intégrant simplement un adaptateur COTS PCIe ou M.2 à une carte mini-SAS HD, vous pouvez ajouter myOPALE-IO sur la face avant de votre PC pour des extensions audio, broadcast, communication, ...

Utilisation de carte standard (PCIe ou M.2) pour la mise en œuvre d’un module myOPALE-I/O en face avant d’un châssis.

L’attribut alt de cette image est vide, son nom de fichier est myOPALE-IO-converter.jpg.

Un article de presse parmi d'autres qui nous a été consacré au lancement du produit par "Boards and Solutions"

Pour nous envoyer un message : https://ecrin.com/contact/ ou nous passer un coup de fil pour discuter de votre projet : +33 (0)4 76 92 20 01 ou sales@ecrin.com .

Gammes durcies nanoONYX, µONYX, ONYX, µTOPAZE :

https://ecrin.com/produits-ecrin-ready-to-application/gamme-onyx/ ou encore ici : https://ecrin.com/produits-ecrin-ready-to-application/gamme-topaze/ .

Vous pouvez également prendre 2:08 mn pour connaître un peu mieux notre entreprise:

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