Couverture ElectroniqueS n°127

Lancés il y a tout juste un an, les processeurs Intel Core de 6e génération connus sous l'appellation Skylake, ont vite été adoptés par les fabricants de cartes et modules à processeurs, en particulier par ceux qui cherchent à allier performances, compacité, fiabilité et gestion thermique facilitée. De quoi satisfaire les exigences de nombreuses applications industrielles qui jusqu'ici, trouvaient difficilement chaussures à leurs pieds, à l'image du contrôle industriel, de l'imagerie médicale, du traitement de l'image, etc. < Capables d'allier performances, compacité, fiabilité et gestion thermique facilitée, les cartes et modules à processeurs Intel Core de 6 e génération (Skylake) peuvent satisfaire les exigences de nombreuses applications industrielles qui jusqu'ici, trouvaient difficilement chaussures à leurs pieds, à l'image du contrôle industriel, de l'Internet des objets, de l'imagerie médicale, du traitement de l'image et de la vidéo, etc. A lors qu'Intel vient d'an-noncer le lancement de ses processeurs Intel Core de 7 e géné-ration exploitant une nouvelle microarchitecture baptisée Kaby Lake, les modèles de 6 e génération, connus sous l'appellation Skylake et gravés eux aussi en technologie Fin-FET 14 nm, continuent de séduire les acteurs de l'embar-qué. Dévoilés il y a tout juste un an à l'IFA de Berlin, les processeurs Intel Core de 6 e génération ont d'abord fait mouche auprès des équipementiers de l'informatique et de l'électronique grand public. Ces derniers ont vu dans les performances améliorées et la consommation électrique réduite de ces composants par rapport aux modèles de 5 e génération – qui eux portaient le nom de code Broadwell – l'opportunité de concevoir des appareils ultraportables très basse consommation (tablettes, notebooks avec clavier amovible, PC portables, etc.) dotés de capacités et d'autonomies encore jamais atteintes. Mais de nombreux ténors de l'embarqué leur ont très vite emboîté le pas, certains faisant même coïncider l'annonce de leurs nouvelles cartes électroniques à vocation industrielle équipées d'un processeur à architecture Skylake avec l'annonce d'Intel à l'IFA 2015. Il faut trouver les raisons de cet engouement en premier lieu dans la tendance actuelle observée dans de plus en plus d'applications industrielles qui réclament des performances de calcul et graphiques toujours plus importantes. Enveloppe thermique configurable En adoptant ces processeurs qui, rappelons-le, intègrent deux cœurs physiques cadencés jusqu'à 2,6GHz (valeur qui peut être portée à 3,4 GHz en mode « Turbo Boost 2.0 »), les spécialistes de l'embarqué comptent dynamiser les performances des systèmes embarqués compacts utilisés dans les applications haut de gamme standard telles que l'automatisation et l'imagerie industrielle, les interfaces homme-machine, les salles de contrôle, le médical, la vente au détail, les jeux, etc., tout en améliorant leur fiabilité. Au moment de leur sortie il y a un an, Intel annonçait en effet une puissance de calcul et des performances graphiques améliorées de 10% par rapport aux Intel Core de génération 5 (Broadwell). On mesure encore davantage les progrès réalisés depuis 5 ans puisque durant cette période, la puissance de calcul des Intel Core a été multipliée par 2,5 et leurs performances graphiques multipliées par 30, au fur et à mesure du développement des générations successives de ce processeur. Mais pour les spécialistes de l'embarqué, la performance n'est pas le seul atout des Intel Core i7, i5, i3 en microarchitecture Skylake, loin s'en faut. Comptant pas loin d'une cinquantaine de modèles, ces processeurs présentent en effet des enveloppes thermiques (TDP, Thermal Design Power ) allant jusqu'à 91 W pour les modèles les plus performants, mais pouvant descendre à seulement 4,5W pour d'autres. Qui plus est, Aaeon, Adlink, Advantech, Axiomtek, Conga-tec, Kontron, Portwell, et d'autres, sont particulièrement intéressés par les modèles qui présentent pour la première fois une enveloppe thermique non pas fixe, mais configurable, en l'occurrence ici entre 7,5 et 15 W. En effet, l'avantage est double. D'une part, une enve-loppe thermique inférieure à 15 W permet de réaliser des modules processeurs compacts capables de fonctionner sans ventilateur, ce qui est le gage d'une fiabilité accrue d'autant plus appréciable dans les applications industrielles. D'autre part, si l'application tend à faire surchauffer le système embarqué dans certains scénarios, il est possible, avec la fonction d'enveloppe thermique configurable, de minimiser les points chauds en limitant la production de chaleur du microprocesseur pour rester dans des conditions thermiques acceptables permettant aux systèmes de fonctionner correctement et de manière fiable. Bref, avec ces processeurs, la montée en performances des systèmes embarqués compacts, tant en puissance de calcul que graphiques, s'accompagne, tout du moins sur le papier, d'une amélioration de leur fiabilité. Ce qui constitue une solution de choix à une équation quelque peu épineuse. Plusieurs ténors de l'embarqué proposent des gammes déjà bien fournies de solutions à base de processeurs Intel Core de 6 e génération (Skylake), à l'image d'Adlink avec des modules COM Express en version Compact ou Basic, un ordinateur embarqué sans ventilateur ainsi que des cartes mère Mini-ITX et ATX pour applications industrielles. Pas de ventilateur: que des avantages! La possibilité offerte ici de concevoir de tels systèmes embarqués haut de gamme sans ventilateur est primordiale dans les applications industrielles, car seule une conception sans ventilateur sera apte à supporter quotidiennement un fonctionne-ment en environnements sévères. En troquant le ventila-teur contre un dispositif de refroidissement pouvant aller du simple radiateur intégré avec ailettes au radiateur avec boîtier de raccordement, en passant par des refroidisseurs haute performance associant conduits de chaleur et dissipateurs thermiques, la fiabilité des systèmes embarqués utilisés dans de tels environnements s'en trouve en effet nettement améliorée, l'absence de pièces mécaniques mobiles les rendant aptes à supporter des chocs ou des vibrations. En outre, certains fabricants proposent des kits de démarrage avec différentes options de dissipation de chaleur permettant aux développeurs de systèmes de faciliter la conception thermique et ainsi d'aboutir plus rapidement à une solution compatible avec leur application. Mais les bienfaits de l'absence de ventilateur ne s'arrêtent pas là. C'est aussi la garantie d'un besoin réduit en termes de maintenance, même après des années de fonctionnement en continu. En s'affranchissant d'opérations telles que le changement régulier de filtres à air et de ventilateurs, les utilisateurs peuvent par conséquent diminuer leurs coûts d'exploitation, cela d'autant plus que l'incidence des temps d'arrêt de l'application, programmés ou non, est de fait réduite. Un autre avantage de ces conceptions sans ventilateur consiste à pouvoir les fermer hermétiquement. Cela garantit un plus haut degré de protection contre la poussière et l'humidité, ce qui constitue une caractéristique essentielle pour pratiquement toute application industrielle. Dernier point, mais pas le moindre, l'absence de ventilateur signifie également une absence de bruit. Ce critère peut s'avérer particulièrement important pour les appareils utilisés à proximité immédiate des personnes, par exemple dans les dispositifs médicaux des unités de soins intensifs, dans les studios d'enregistrement professionnels ou bien encore dans les laboratoires d'essai et de mesure. Nombreuses applications en vue On le voit ici, des conceptions sans ventilateur permettant de réaliser des systèmes embarqués haut de gamme à la fois compacts, fiables et performants ont toutes les chances de remporter de nombreux suffrages auprès d'équipementiers ou d'intégrateurs présents sur de très nombreux débouchés industriels. Dans un white paper récemment publié, l'allemand Congatec identifie plusieurs applications potentielles: - les applications utilisant des communications inter-process virtualisées avec contrôle et interface homme-machine (IHM) dans un système unique; - les systèmes de traitement de l'image et de la vidéo dans les technologies de l'automatisation et de la sécurité; - les salles de contrôle industriel dotées d'écrans multiples et de connexions vers le terrain; - les équipements audio et vidéo professionnels; - les panneaux signalétiques haut de gamme et de publicité DOOH ( Digital Out of Home ); - les technologies d'imagerie médicale (scanner, IRM, rayons X, etc.) et les postes de travail d'endoscopie; - les systèmes riches en graphiques nécessitant une visualisation 4K à fréquence élevée; - les systèmes de métrologie passant d'une technologie DSP au GPGPU ( General-Purpose Computation on Graphics Processing Unit ); - le contrôle de véhicule autonome et l'analyse de situation assistée par ordinateur; - les machines de jeu professionnel multi-écran; - les applications équipées de ventilateurs qui ont besoin d'être remplacées pour des raisons de coût ou de disponibilité. APERÇU DE L'OFFRE EN CARTES ET MODULES À PROCESSEURS INTEL CORE DE 6 E GÉNÉRATION APERÇU DE L'OFFRE EN CARTES ET MODULES À PROCESSEURS INTEL CORE DE 6 E GÉNÉRATION Seule contrainte, donc, pour bouter les ventilateurs hors de ces systèmes embarqués: limiter leur enveloppe thermique 15 W, ce qu'offrent certains processeurs Intel Core de 6 e génération, en particulier ceux à enveloppe thermique configurable. C'est par exemple le choix qu'a fait Congatec pour ses modules COM Express Compact (95 x 95 mm) référencés congaTC170 et équipés des processeurs Intel Core i7-6600U, i5-6300U ou i3-6100U qui présentent une enveloppe thermique configurable de 7,5 à 15 W. Autre exemple avec Adlink et sa gamme cExpress-SL, également en format COM Express Compact, qui utilise les mêmes processeurs de 6 e génération que ceux choisis par Congatec. « Les systèmes sans ventilateur sont relativement faciles à implémenter avec des processeurs qui consomment moins de 10 W. Actuellement, la limite de conception sans ventilateur se trouve autour d'une enveloppe thermique de 15 W. De nombreux développeurs pour l'embarqué ou l'Internet des objets industriels (IIoT) travaillent autour de cette limite afin de tirer le meilleur de leurs applications sans ventilateur haut de gamme et gagner en matière de performances et de nouveaux avantages compétitifs », explique Christian Eder, directeur marketing de Conga-tec. Bien sûr, les systèmes embarqués haut de gamme compacts sans ventilateur ne peuvent profiter des performances de tous les processeurs Skylake, en particulier ceux dont l'enveloppe dépasse ces fameux 15 W. Mais le gain en puissance de calcul et en performances graphiques déjà apporté par ces Intel Core de 6 e génération en version 15 W et moins ouvre la voie à des systèmes embarqués compa-tibles avec les applications citées plus haut. « Beaucoup de ces systèmes, et d'autres également, nécessitent l'im-plémentation d'une connectivité industrielle 4.0 ou à l'IoT. Les deux cas imposent des capacités additionnelles de traitement de données et de communication – y compris pour le cryptage et la protection contre les virus. Un point qui peut accroître de manière très significative l'exigence en puissance de calcul. Pour les applications destinées à fonctionner à la limite du possible avec des systèmes sans ventilateur, toute augmentation de la performance pour une enveloppe thermique limitée à 15 W est donc particulièrement la bienvenue », confirme Christian Eder. Grâce à leur faible enveloppe thermique qui, dans certains cas, peut être configurable entre 7,5 et 15W, les Intel Core de 6 e génération peuvent permettre aux spécialistes de l'embarqué de concevoir des cartes et modules processeurs compacts et performants sans avoir recours à un ventilateur, ce qui présente de nombreux avantages, en particulier en termes de fiabilité. Autre avantage apprécié pour les applications embarquées, la prise en charge de mémoire RAM de type DDR4 avec l'accroissement de bande passante et de vitesse que cela implique par rapport à la mémoire DDR3 des Intel Core de génération 5, alors que la tension abaissée à 1,2 V (au lieu de 1,35 V pour la DDR3) concourt à l'efficacité énergétique de l'ensemble. Par ailleurs, la possibilité de prendre en charge jusqu'à 32 Go (RAM DDR4 double canal, 16 Go par canal) n'est sans doute pas étrangère au fait que l'adoption des Intel Core Skylake ait été aussi rapide. De même, la dernière génération de moteur graphique intégré dans ces processeurs autorise, entre autres, la prise en charge simultanée de 3 écrans 4K 60 Hz indépendants via des interfaces DisplayPort 1.2, HDMI, LVDS ou eDP. Les interfaces HDMI 2.0 et DirectX version 12 font également partie du package. Désormais, le decodage ainsi que le codage en HEVC, VP8, VP9 et VDENC sont pris en charge, de même que les flux vidéo HD basse consommation en bidirectionnel. Enfin, la 6 e génération de processeurs Intel Core satisfait également les exigences élevées au niveau des entrées-sorties imposées aux systèmes haut de gamme dédiés à l'embarqué et l'Internet des objets en fournissant une plus haute vitesse globale d'entrées-sorties. Ainsi, parmi les nombreuses interfaces présentes, les ports USB 3.0, SATA de génération 3 (6 Gbit/s) et PCI Express de génération 3 voient leurs nombres augmenter par rapport à la 5 e génération (Broadwell), passant respectivement à 4, 3 et 6. Ce module processeur signé Aaeon et référencé NanoCOM-SKU est le premier à embarquer un processeur aussi puissant que l'Intel Core de 6 e génération dans un format aussi compact que le COM Express Type 10 dont le facteur de forme est équivalent à celui d'une carte de crédit (84x55mm). Dans la bonne douzaine de fournisseurs répertoriée dans le tableau en page 78, tableau qui n'a pas l'ambition d'être exhaustif, mais plutôt de dresser un aperçu de l'offre en cartes et modules à processeur Intel Core de 6 e génération, on constate une offre assez importante en cartes et modules en formats classiques avec des cartes mères à vocation industrielle (ATX, micro-ATX, mini-ITX), des cartes PC (Compact SBC, SHB Express) et des modules COM Express Basic. Mais avec leur faible enveloppe thermique, dans certains cas configurable, certains modèles de processeurs Intel Core Skylake trouvent aujourd'hui leur place dans des cartes et modules plus compacts, à l'image des COM Express Compact commercialisés par exemple par Aaeon (groupe Asus), Adlink, Advantech, Arbor, Axiomtek, Conga-tec, DFI ou bien encore Kontron. « Dans de nombreux cas, les conceptions haut de gamme sans ventilateur reposent typiquement sur le format COM Express Compact, surtout quand l'ensemble des fonctionnalités standard des cartes mères Mini-ITX ne répondent pas aux exigences de conception ou quand l'espace est limité », précise Christian Eder, directeur marketing de Congatec. En plus d'un encombrement de seulement 95 x 95 mm, les modules COM Express Compact incluent deux connecteurs CMS (montage en surface) à double rangée dotés de 440 contacts pour accueillir de nombreuses interfaces à haute vitesse. Mais la palme de la compacité revient toutefois au taïwanais Aaeon Technology (société rachetée en 2011 par son compatriote Asus) avec un modèle référencé NanoCOM-SKU. Ce module COM se distingue comme étant le premier à embarquer un processeur aussi puissant que l'Intel Core de 6 e génération dans un format aussi compact que le COM Express Type 10 dont le facteur de forme est équivalent à celui d'une carte de crédit (84 x55mm). « Jusqu'ici, ce type de format très compact ne pouvait accueillir que des processeurs de type Atom ou tout autre SoC (System-on-Chip) dont les performances limitées ne pouvaient satisfaire les exigences d'applications requérant à la fois performances élevées et compacité. Notre module COM Express Type 10 NanoCOM-SKU, le plus puissant de sa catégorie, permet de s'affranchir de ce goulet d'étranglement et de viser des applications telles que l'imagerie médicale, l'affichage d'information, la robotique, les automates programmables et bien d'autres encore », affirme David Hung, responsable produits de la division «Embedded Computing» d'Aaeon. Des modules de plus en plus compacts Reste à savoir jusqu'où vont aller les ténors de l'embarqué en termes d'optimisation du rapport performances/compacité? Difficile à dire, mais Intel leur offre déjà la possibilité d'aller encore plus loin avec la sortie il y a quelques semaines seulement de ses processeurs Core de 7 e génération baptisés Kaby Lake. Mais pas sûr que les fabricants de systèmes embarqués adoptent cette nouvelle génération avec le même enthousiasme qu'il y a un an avec la génération Skylake. D'autant que le développement de modules à base de processeurs Intel de 6 e génération est encore en cours et que, pour l'heure et à notre connaissance, aucune annonce de lancement de cartes ou modules embar-qués équipés d'un Intel Core Kaby Lake n'a encore été faite.

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