Bei der Entwicklung kundenspezifischer Hardware für eingebettete Systeme standen Entwicklern traditionell zwei Hauptoptionen zur Verfügung: die Entwicklung eines eigenen Einplatinencomputers (SBC) von Grund auf oder die Verwendung eines Computer-on-Module (COM) als Basis für ihr Design. Beide Ansätze haben ihre Vorteile, aber auch ihre Nachteile.

Kundenspezifische Single-Board-Computer (SBCs) bieten zwar eine kompromisslose Lösung, ihre Entwicklung erfordert jedoch einen hohen Entwicklungsaufwand. Computerbasierte Systeme (COMs) ermöglichen einen effizienteren Entwicklungsprozess, erfüllen aber möglicherweise nicht alle wichtigen Designkriterien. Diese Zielkonflikte stellen große Herausforderungen für Anwendungen dar, bei denen kurze Markteinführungszeiten, geringe Kosten und Robustheit höchste Priorität haben.

Um dieser Herausforderung zu begegnen, hat die Standardisierungsgruppe für eingebettete Technologien (SGET) eine neue Spezifikation namens Open Standard Module (OSM) eingeführt. OSM überträgt die Vorteile des Konzepts offener Rechenmodule auf einen System-in-Package (SiP)-Formfaktor.

Dieser Artikel erläutert die Grundlagen von OSM und hebt dessen einzigartige Vorteile hervor. Er zeigt, wie Entwickler diesen neuen Standard nutzen, um leistungsstarke und kostengünstige kundenspezifische Embedded-Systeme für Anwendungen wie Industrieautomation, Transportwesen und Edge Computing zu erstellen.

Einführung in OSM

“System-in-Package” bezeichnet die Integration der Kernkomponenten eines eingebetteten Systems – wie Prozessor, Speicher, Datenspeicher und Kommunikationshardware – in einem einzigen Gehäuse. Mit diesem Ansatz bieten OSMs eine vollständige, vorvalidierte Lösung für eingebettete Systeme, wodurch der Designprozess vereinfacht und Entwicklungszeit und -kosten erheblich reduziert werden.

In vielerlei Hinsicht ähnelt der OSM-Formfaktor Computer-on-Module-Lösungen wie COM Express und SMARC. OSM bietet jedoch einen kompakteren Formfaktor und ein robusteres, lötbares BGA-Gehäuse. Daher ist ein OSM-Modul eher mit einer Komponente als mit einer Platinenlösung vergleichbar.

Der OSM-Standard spezifiziert vier Größen mit abwärtskompatibler Pinbelegung. Die folgende Tabelle bietet einen Überblick über die einzelnen Größen:

	Abmessungen	Prozessorklasse	Pinbelegung
OSM Größe Null	30 x 15 mm	Mikrocontroller-Klasse	120 Pins: Wichtige Schnittstellen wie I2C, SPI, UART und GPIO
OSM Größe S	30 x 30 mm	Mikrocontroller bis hin zu Low-End-Anwendungsprozessoren	230 Pins: Fügt Schnittstellen wie USB, I2S, CAN, SDIO und einen einzelnen Ethernet-Port hinzu.
OSM Größe M	30 x 45 mm	Mittelklasse-Anwendungsprozessoren	320 Pins: Fügt Unterstützung für LVDS-, CSI- und DSI-Schnittstellen hinzu; mehrere Ethernet-Anschlüsse und PCIe
OSM Größe L	45 x 45 mm	Mittelklasse-Anwendungsprozessoren, einschließlich x86 und Arm	662 Pins: Ermöglicht Unterstützung für SATA, zusätzliche PCIe-Lanes und weitere Display-Schnittstellen wie eDP und HDMI.

OSM-Module der Größe L eignen sich besonders gut für anspruchsvolle eingebettete Anwendungen, die eine hohe Rechenleistung, Konnektivität und Flexibilität erfordern. Zum Beispiel die OSM-IMX93 ist ein Modul der Größe L, das beeindruckende KI- und Grafikfunktionen in einem energiesparenden Paket bietet. Es bietet:

• NXP^® i.MX 93-Prozessor mit Dual-Core Arm Cortex-A55- und einem Arm Cortex-M33-Architektur sowie einem integrierten Arm Ethos™-U65 microNPU-Neuralprozessor (NPU)
• Bis zu 2 GB LPDDR4L-Arbeitsspeicher und 128 GB eMMC-Speicher
• Integrierte Grafik mit LVDS- und DSI-Schnittstellen
• Dual-GbE (eines davon TSN-fähig), I²S-, CAN- und USB-Schnittstellen 

Solche Module können problemlos anspruchsvolle Aufgaben übernehmen, darunter Robotik, autonome Fahrzeuge, Luft- und Raumfahrtsysteme, industrielle Mensch-Maschine-Schnittstellen und verbraucherorientierte IoT-Geräte.

Es ist wichtig zu beachten, dass der offene Standardcharakter von OSMs ein breites Ökosystem fördert. Kompatible Module sind von verschiedenen Anbietern erhältlich, was dazu beiträgt, das Risiko von Lieferkettenunterbrechungen zu minimieren und einen längeren Produktlebenszyklus zu gewährleisten.

Darüber hinaus unterstützen OSM-Module jede Prozessorarchitektur, die in ihren Bauraum passt. Entwickler haben Zugriff auf Arm-, RISC-V- und x86-Lösungen von Rockchip, NXP, Texas Instruments, Intel, MediaTek, Qualcomm und weiteren Herstellern, was ihnen mehr Auswahl und Flexibilität bei ihren Designs ermöglicht.

Kundenspezifische SBCs vs. OSMs

Wenn es nur auf Designflexibilität ankäme, wären kundenspezifische Einplatinencomputer (SBCs) kaum zu übertreffen. Es gibt jedoch weitere Faktoren zu berücksichtigen. Die Entwicklung kundenspezifischer SBCs ist ein erheblicher technischer Aufwand, insbesondere in den Bereichen Signalintegrität und Wärmemanagement. Auch die Softwareentwicklung kann problematisch sein, da die Entwickler oft bei null anfangen.

Darüber hinaus müssen kundenspezifische SBCs strengen Qualifizierungstests unterzogen werden, um sicherzustellen, dass sie die erforderlichen Zuverlässigkeits- und Umweltstandards für die Zielanwendung erfüllen. Diese Tests können zeitaufwändig und kostspielig sein, was den Entwicklungszyklus weiter verlängert und die Kosten erhöht.

Im Gegensatz dazu bieten OSMs einen effizienten und kostengünstigen Ansatz. Dank ihres vorvalidierten Formfaktors entlasten OSMs den Entwickler von den anspruchsvollsten Aspekten des Schaltungsdesigns. Auch die Softwareentwicklung wird vereinfacht, da Entwicklern ein standardisierter Ausgangspunkt zur Verfügung steht.

OSMs bieten zudem zahlreiche Vorteile hinsichtlich Flexibilität und Skalierbarkeit. Die standardisierte Pinbelegung und Schnittstellenspezifikation ermöglichen es Entwicklern, problemlos zwischen verschiedenen OSM-Anbietern zu wechseln oder bei technologischem Fortschritt auf neuere Module aufzurüsten, ohne dass wesentliche Änderungen am Design der Trägerplatine erforderlich sind. Diese Modularität ermöglicht einen zukunftssicheren Designansatz und trägt zum Schutz der anfänglichen Investition in kundenspezifische Hardware bei.

OSM vs. COMs

Ähnlich wie OSM bieten auch COMs vorvalidierte, standardisierte Rechenmodule. Daher weisen COMs und OSM-Module ähnliche Vorteile auf. Allerdings eignen sich herkömmliche COMs nicht für alle eingebetteten Anwendungen.

Zuverlässigkeit und Robustheit sind besonders wichtig für COMs, da diese über einen Steckverbinder, der eine potenzielle Fehlerquelle darstellt, mit der Trägerplatine verbunden sind. OSMs bieten in dieser Hinsicht dank ihres lötbaren BGA-Gehäuses einen deutlichen Vorteil gegenüber COMs. Da kein Steckverbinder zwischen Modul und Trägerplatine benötigt wird, sind OSMs deutlich widerstandsfähiger gegen Vibrationen und mechanische Belastung.

COM-Module sind für manche Anwendungen auch zu groß – ein weiteres Problem, das OSM löst. Während COM-Express-Module beispielsweise nicht kleiner als 55 x 84 mm werden, erreichen OSM-Module maximal 45 x 45 mm. Anders ausgedrückt: Kleine COM-Module haben typischerweise die Größe einer Kreditkarte, während OSM-Module eher die Größe einer Briefmarke haben.

Die kompakte, lötbare Bauweise von OSMs prädestiniert sie für die automatisierte Montage. OSMs können in Gurtverpackungen oder Trays geliefert werden, wodurch die manuelle Platzierung entfällt. Dank dieser produktionsoptimierten Konstruktion erzielen OSMs eine höhere Kosteneffizienz als herkömmliche COM-basierte Systeme, insbesondere bei Anwendungen mit hohem Durchsatz.

Ein weiterer Vorteil von OSMs ist ihre architekturübergreifende Unterstützung. Während COM-Standards typischerweise auf eine einzelne Prozessorarchitektur ausgelegt sind, sind OSMs architekturunabhängig. Obwohl OSM primär für Anwendungen mit geringerer Leistung konzipiert ist, akzeptiert es eine Eingangsleistung von bis zu 42,5 W, wodurch es x86-Plattformen und andere High-End-Prozessoren unterstützt.

Wertsteigerung Ihres Embedded-System-Designs

Trotz aller Vorteile, die OSM bietet, kann die Entwicklung kundenspezifischer Embedded-Systeme nach wie vor komplex und zeitaufwendig sein. Durch die Zusammenarbeit mit einem erfahrenen OSM-Lösungsanbieter wie ADLINK können Sie Ihren Entwicklungsprozess optimieren, die Markteinführungszeit verkürzen und sich auf Ihre Kernkompetenzen und anwendungsspezifischen Anforderungen konzentrieren.

Eine Möglichkeit besteht darin, eine vorgefertigte Leiterplattenlösung auf Basis der OSM-Spezifikation zu verwenden. Dieser Ansatz reduziert die anfänglichen Entwicklungskosten und beschleunigt die Markteinführung, während gleichzeitig die Option erhalten bleibt, für zukünftige Produkte auf ein kundenspezifisches OSM-Design umzusteigen.

Wenn es um kundenspezifische Designs geht, unterstützen Sie die Carrier-Board-Design-Services von ADLINK bei der Entwicklung einer skalierbaren Lösung, die optimale Leistung bei minimalem Entwicklungsaufwand gewährleistet. Darüber hinaus bietet Ihnen eine Partnerschaft mit ADLINK Zugang zu Fertigungsunterstützung, Software-/Firmware-Integrationsdiensten und vielen weiteren Serviceleistungen.

ADLINK bietet ein umfassendes Produktportfolio für vielfältige Anwendungsanforderungen. Dazu gehören Q7-, SMARC- und andere COM-Module, sofort einsatzbereite Single-Board-Computer (SBCs) sowie diverse vorintegrierte IoT- und Edge-Computing-Lösungen. Unser Engagement für zukunftsweisende Technologien und unsere Fähigkeit, robuste Lösungen für unterschiedlichste Anwendungsbereiche bereitzustellen, machen uns zu einem verlässlichen Partner für Entwickler von Embedded-Hardware-Lösungen.

Fazit

Bei der Auswahl der Komponenten für kundenspezifische Hardware in eingebetteten Systemen haben Entwickler mehr Möglichkeiten denn je – und jede Option bietet ihre eigenen Vorteile. OSM bietet Vorteile wie den SIP-Formfaktor, ein robustes, lötbares Design, eine kompakte Bauform und Kompatibilität mit Bestückungsautomaten. All dies macht es zu einer ausgezeichneten Wahl für eine Vielzahl von Anwendungsfällen.

Entwickler profitieren von diesen und weiteren Vorteilen, indem sie mit ADLINK zusammenarbeiten und vollständige, skalierbare, vorkonfigurierte Board-Level-Lösungen sowie kundenspezifische Carrier-Boards auf Basis der OSM-Spezifikation erhalten. So senken sie ihre Entwicklungskosten, beschleunigen die Markteinführung und maximieren ihren ROI. Weitere Informationen finden Sie in unserer Produktbeschreibung. Produktinformationen oder fragen Sie nach einem Beratung.