在“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”的曙光中，模塊化嵌入式系統(tǒng)的賭注正在加大。越來越多的機(jī)器正在連接，其中許多機(jī)器處于偏遠(yuǎn)和具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，例如石油和天然氣、機(jī)車、運(yùn)輸和船舶推進(jìn)系統(tǒng)。為了在更短的時(shí)間內(nèi)滿足對(duì)更多數(shù)據(jù)的需求，這些系統(tǒng)必須更快、更長(zhǎng)時(shí)間地工作。隨著對(duì)數(shù)據(jù)的需求加速是計(jì)算機(jī)處理器的發(fā)展。但企業(yè)無法承擔(dān)更換處理器所需的停機(jī)時(shí)間，或升級(jí)處理器時(shí)更換載板的費(fèi)用。根據(jù)能源部 2006 年的一項(xiàng)研究，閑置的工業(yè)機(jī)械每分鐘的成本可能高達(dá) 800 美元。

需要一個(gè)模塊化的嵌入式計(jì)算架構(gòu)來解決這些成本和停機(jī)時(shí)間問題。也許當(dāng)今可用的模塊化架構(gòu)中最引人注目的是 COM Express。COM Express 為當(dāng)今日益互聯(lián)的世界提供了必要的計(jì)算能力，同時(shí)還延長(zhǎng)了底層系統(tǒng)的使用壽命。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展，用戶可以在不影響底層硬件和資產(chǎn)的情況下切換模塊，從而節(jié)省時(shí)間和金錢。COM Express 技術(shù)的模塊化、簡(jiǎn)單性和可靠性有助于企業(yè)保持競(jìng)爭(zhēng)力、盈利和靈活性。

利用處理能力的升級(jí)

基于 COM Express 的技術(shù)由 PICMG 于 1994 年開發(fā)，PICMG 是一個(gè)由 250 家公司組成的聯(lián)盟，為高性能計(jì)算應(yīng)用程序開發(fā)開放規(guī)范。今天，COM Express 外形尺寸有四種尺寸：

迷你：55 x 84 毫米

緊湊型：95 x 95 毫米

基本款：95 x 125 毫米

擴(kuò)展：110 x 155 毫米

這些不同尺寸的 COM Express 模塊可幫助企業(yè)在任何可以想象的工業(yè)應(yīng)用中通過在日益互聯(lián)的世界中最大限度地提高關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)的性能來保持競(jìng)爭(zhēng)力。

英特爾、AMD 等處理器制造商不斷推出新產(chǎn)品證明了提高性能的需求。無論是更好的線程、更多內(nèi)核、更好的圖形、更低的功耗還是更高的時(shí)鐘速度，這些公司都在不斷響應(yīng)對(duì)更多、更快的全面計(jì)算的需求——無論是在臺(tái)式機(jī)上還是在嵌入式工業(yè)系統(tǒng)中。但是，每當(dāng)有令人信服的新一代技術(shù)可用時(shí)，更換一個(gè)完整的子組件或子系統(tǒng)是耗時(shí)、昂貴且有風(fēng)險(xiǎn)的。然而，利用更高水平的處理器能力和性能是當(dāng)務(wù)之急。將處理器模塊與底層載體分離意味著技術(shù)升級(jí)是無痛且負(fù)擔(dān)得起的。

除此之外，模塊化 COM Express 方法允許用戶靈活地以適當(dāng)?shù)膬r(jià)格水平提供特定于應(yīng)用程序的性能和功率（圖 1）。例如，基于 i7 的四核處理器模塊可用于特定載板上，以實(shí)現(xiàn)高價(jià)值、高關(guān)鍵性、高性能的應(yīng)用——而相同的載板，具有相同的特性和 I/O 功能，使用基于威盛 Nano 處理器的低性能 COM Express 模塊，可用于價(jià)值較低、關(guān)鍵性較低、要求不高的應(yīng)用；這導(dǎo)致更低的開發(fā)成本和更快的上市時(shí)間。

現(xiàn)代機(jī)車是這種靈活性的完美用例。今天的機(jī)車中有近十幾個(gè)計(jì)算機(jī)處理器。雖然這些計(jì)算機(jī)的處理要求不同，但它們中的大多數(shù)具有相似的 I/O 要求。根據(jù)應(yīng)用程序的適當(dāng)處理器功率級(jí)別，使用具有不同 COM Express 模塊的相同或類似載板，具體取決于其配置文件，可實(shí)現(xiàn)價(jià)格/性能平衡。

然而，這種模塊化程度的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了初始部署。從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，升級(jí)性能水平只是更換處理器模塊的問題，而不是整個(gè)子組件。這可以節(jié)省資金，并最大限度地減少對(duì)整個(gè)模塊與周圍環(huán)境交互方式的不可預(yù)見的影響。

在提到的機(jī)車示例中，可以升級(jí) COM Express 處理器模塊，而不會(huì)影響與位于載板上的引擎 I/O 的連接——減少昂貴且耗時(shí)的重新認(rèn)證和測(cè)試。COM Express 的模塊化賦予了“技術(shù)插入”全新的含義。

由于這種模塊化優(yōu)勢(shì)，COM Express 可以顯著延長(zhǎng)關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中關(guān)鍵元件的使用壽命——這對(duì)于石油和天然氣、能源和運(yùn)輸?shù)裙I(yè)應(yīng)用來說是一個(gè)寶貴的好處。在利用商業(yè)技術(shù)時(shí)尤其如此 - 通常稱為商業(yè)現(xiàn)貨 （COTS）。

過去，供應(yīng)商經(jīng)常在其產(chǎn)品上使用特殊的利基和專有組件。然而，對(duì)于許多此類組件供應(yīng)商而言，確保這些產(chǎn)品持續(xù)競(jìng)爭(zhēng)力的長(zhǎng)期承諾——以及對(duì)研發(fā)大量投資的要求——意味著此類組件通常具有相對(duì)較短的使用壽命，并且無法從支持資金充足的計(jì)劃，以盡量減少過時(shí)的影響。

然而，商業(yè)產(chǎn)品（例如英特爾和 AMD 的產(chǎn)品）有望受益于開發(fā)路線圖，該路線圖將看到連續(xù)幾代產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)，每一款都與其前身兼容，并且每一款都能夠提供新的性能水平。這種不斷的“提升游戲”為 COM Express 技術(shù)的用戶提供了一個(gè)真正的機(jī)會(huì)——這是一個(gè)模塊化架構(gòu)最大限度地利用的機(jī)會(huì)，使物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 成為現(xiàn)實(shí)。

惡劣環(huán)境下的可靠性

COM Express 要提供真正的商業(yè)利益，它必須提供另一個(gè)重要屬性：可靠性。我們正處于“永遠(yuǎn)在線”計(jì)算的時(shí)代：燈永遠(yuǎn)不能熄滅。停機(jī)時(shí)間意味著收入損失。在許多關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)運(yùn)行的惡劣、敵對(duì)環(huán)境中，這是一個(gè)挑戰(zhàn)。今天的互聯(lián)世界范式并沒有區(qū)分穩(wěn)定環(huán)境中的系統(tǒng)，例如辦公室和數(shù)據(jù)中心，以及部署在重工業(yè)、工廠車間、鉆井平臺(tái)或運(yùn)輸系統(tǒng)中的惡劣環(huán)境中的系統(tǒng)。

這些極端的工業(yè)條件需要堅(jiān)固耐用的 COM Express 模塊（圖 2）。具體來說，它們必須在低至 -40 oC 和高達(dá) +85 oC 的溫度下運(yùn)行——例如，石油和天然氣作業(yè)中經(jīng)常出現(xiàn)的溫度。它們還必須承受高達(dá) 40克的沖擊以及來自機(jī)械或飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的極端振動(dòng)。需要保形涂層來抵抗工業(yè)環(huán)境中典型的濕氣、灰塵和化學(xué)品。

因此，設(shè)計(jì)、測(cè)試、鑒定和制造模塊化架構(gòu)以部署在工業(yè)中許多關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)中的惡劣環(huán)境中，是一個(gè)艱苦而嚴(yán)格的過程——但如果要實(shí)現(xiàn)最大的可靠性和正常運(yùn)行時(shí)間，這一點(diǎn)至關(guān)重要。模塊化很有幫助：通過將處理模塊與 I/O 載板分開，制造商可以確保處理模塊上的所有組件都經(jīng)過專門選擇，以滿足特定應(yīng)用的擴(kuò)展溫度、沖擊和振動(dòng)水平。在最大性能應(yīng)力下測(cè)試模塊也變得更加容易，例如，這可以幫助設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)周期的早期獲得具有均勻溫度分布的最佳散熱器解決方案。

雖然如前所述，處理器模塊的設(shè)計(jì)受到了相當(dāng)大的關(guān)注，但 COM Express 的模塊化使載板的開發(fā)成為可能。開發(fā)處理器模塊的設(shè)計(jì)和測(cè)試工程師不必等到整個(gè)載板開發(fā)完成來驗(yàn)證處理器模塊設(shè)計(jì)。這種平行的——甚至是地理上分散的——開發(fā)可以減少開發(fā)時(shí)間和成本，同時(shí)仍然為惡劣的工業(yè)環(huán)境提供可靠的解決方案。

為今天和未來提供可靠的性能

靈活地選擇無數(shù)不同的價(jià)格、功率和性能點(diǎn)，使完全堅(jiān)固的 COM Express 模塊化架構(gòu)成為當(dāng)今互聯(lián)世界的高性能工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用的杰出選擇。堅(jiān)固耐用的 COM Express 不僅可以顯著降低生命周期總擁有成本并延長(zhǎng)自動(dòng)化應(yīng)用程序的生命周期，它們還為企業(yè)提供了利用工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的力量和機(jī)遇的機(jī)會(huì)，同時(shí)提供出色的可靠性。

審核編輯：郭婷