Les systèmes haut de gamme sans ventilateur montent en performances

Le 09/05/2016 à 14:00  

L es systèmes haut de gamme conçus pour les applications industrielles, tels que ceux destinés à l'embarqué et à l'Internet des objets industriels (IIoT), ne sont aptes à fonctionner quotidiennement dans des environnements difficiles que s'ils reposent sur une conception sans ventilateur. Leur fiabi-lité dans des environnements difficiles est ainsi décuplée et les rend aptes à supporter des chocs ou des vibrations. Qui plus est, l'absence de ventilateur est la garantie d'un très faible besoin 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 toutes applications industrielles. Dernier point, mais pas le moindre, l'absence de ventilateur signifie également l'absence de bruit. Un critère qui 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.

Le module ordinateur COM Express conga-TC170 de Congatec est équipé de SoC ULV (Ultra Low Voltage) de la 6 e génération de processeurs Intel Core i7/i5/i3 pour un fonctionnement sans ventilateur ; leur enveloppe thermique est configurable de 7,5 à 15 W.

Augmenter les performances sans ventilateur

Il existe donc de multiples raisons d'utiliser des conceptions sans ventilateur. Mais du fait de cette conception, les systèmes haut de gamme conçus pour les applications industrielles ne peuvent intégrer qu'une partie des nouvelles technologies de processeur, car ils sont limités en matière d'enveloppe thermique ( Thermal Design Power ou TDP) qu'ils sont capables de supporter. Les systèmes sans ventilateur sont en effet relativement faciles à implémenter avec des processeurs qui consomment moins de 10 watts. Actuellement, la limite de conception sans ventilateur se trouve autour d'une enveloppe thermique de 15 W. De nombreux déve-loppeurs pour l'embarqué ou l'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. Parmi les exemples où ces atouts peuvent s'avérer primordiaux, citons: - 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;

Le dissipateur thermique de Congatec fournit une interface thermique définissant la hauteur de la conception pour des solutions de refroidissement avec un encombrement identique.

- 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 );

Les trois premiers SoC embarqués 15 W de la 6 e génération de la plate-forme Intel Core sont les processeurs dual-core Intel Core i7-6600U, Intel Core et Intel Core i5-6300U i3-6100U avec le support de l'hyper-threading.

- le contrôle de véhicules autonomes 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.

En outre, beaucoup de ces systèmes, et d'autres également, nécessitent l'implémentation d'une connectivité industrielle 4.0 ou à l'Internet des objets (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 15W est donc particulièrement la bienvenue.

La dernière génération Core

La 6 e génération de processeurs Intel Core i7/i5/i3 (nom de code Skylake) est la plus récente plate-forme de processeurs disponible à ce jour sur le marché. Elle se décline en une gamme très variée dont l'enveloppe thermique va de quelques watts à91W.Dans cet article, nous nous concentrons uniquement sur ce que proposent les versions 15W de la classe SoC ( System-on-Chip ), car elles seules permettent un développement de systèmes sans ventilateur haut de gamme véritablement industriels. Des tests pour cette gamme de performances particulière ne sont pas encore disponibles. Cependant, il est totalement raisonnable de supposer que les progrès réalisés dans le domaine des SoC correspondant à cette génération de processeurs sont comparables à ceux obtenus pour les versions PC de bureau requérant l'usage de ventilateurs. Intel spécifie que, par rapport aux plates-formes sorties il y a cinq ans, les nouveaux processeurs Core affichent jusqu'à 2,5 fois plus de puissance de calcul, une performance graphique accrue d'un facteur 30 et une durée de vie de la batterie multipliée par 3. Comparée à la 5 e génération (nom de code Broadwell), on constate une augmentation moyenne d'environ 10% de la performance graphique et de calcul, et de 11% d'efficacité énergétique. Les raisons de cette augmentation de performances reposent sur le procédé de fabrication en technologie 14nm et sur une micro-architecture dite Skylake complètement révisée. Cela comprend une structure optimisée qui relie les cœurs de processeur, l'unité graphique et le cache de dernier niveau (anciennement cache L3) via une architecture de bus en anneau.

Les versions ULV ( Ultra-LowVoltage ) des SoC, qui sont pertinentes pour des conceptions 15W, comprennent également l'agent système qui intègre l'affichage, le stockage et le contrôleur d'entrées/sorties (E/S). La nouvelle technologie Intel Speed Shift permet en outre la commutation rapide entre les divers modes d'alimentation, conduisant à une augmentation des perfor-mances comprise entre 20% et 45% par rapport aux processeurs Intel Core de 5 e génération. Dans le même temps, la consommation d'énergie est réduite.

Pour améliorer encore l'efficacité énergétique, Intel a réduit les tensions d'alimentation des SoC et affiné le processus de distribution d'énergie ( power gating ) aux blocs fonctionnels individuels. Il en résulte une réduction de la dissipation d'énergie. De plus, les blocs fonctionnels peuvent s'adapter plus efficacement aux exigences de performances individuelles. En outre, cela permet une utilisation prolongée du Turbo Boost, de sorte que les applications fonctionnent mieux en périodes de charge.

Graphisme Intel Gen9 et Ram plus rapide

L'unité graphique, qui a été optimisée pour Windows 10 et est intégrée dans les SoC 15W de la nouvelle 9 e génération sous le nom de Intel Graphics 500, affiche également une meilleure performance graphique. Elle peut gérer jusqu'à trois écrans 4K indépendants, avec un taux de rafraîchissement de 60Hz via une interface DisplayPort 1.2. Le HDMI 1.4 est également pris en charge, alors que DirectX 12 assure des affichages 3D encore plus rapides sous Windows 10. En outre, un moteur vidéo supplémentaire est intégré. Cela permet l'encodage, le codage/décodage de vidéo HEVC, VP8, vp9 et VDENC avec une charge CPU minimale et une faible consommation d'énergie. Pour la première fois, il est désormais possible de diffuser de la vidéo HD efficacement dans les deux directions, à savoir à la fois en amont et en aval. Avec 24 unités d'exécution et le sup-port d'OpenCL 2.0, les unités graphiques GT2 520 des processeurs ULV peuvent également libérer le CPU des tâches parallèles de calcul intensif.

Une autre nouvelle fonctionnalité est le support de la Ram DDR4. Il en résulte un certain nombre d'améliorations: d'abord, une bande passante beaucoup plus élevée et un fonctionnement plus rapide. Ensuite, à 1,2 volt, cette Ram est aussi plus économe en énergie que les Ram actuelles DDR3 à 1,35V. En outre, grâce à un doublement de la densité de mémoire, il est maintenant possible d'obtenir 32Go de mémoire de travail avec deux slots emplacements de Ram. Ceci est un énorme avantage pour de nombreux systèmes embarqués haut de gamme, et probablement la motivation principale pour de nombreux concepteurs de systèmes de se mettre à niveau dès que possible vers la nouvelle génération. La 6 e génération de processeurs Intel Core satisfait également les exigences élevées au niveau des E/S imposées aux multiples systèmes haut de gamme pour l'embarqué et l'IoT en fournissant une plus haute vitesse d'E/S. Les versions SoC avec PCI Express Gen 3.0 doublent pratiquement les débits de données. La nouvelle génération de processeurs fournit également deux fois plus d'interfaces USB 3.0 (maintenant au nombre de 4) que leurs prédécesseurs immédiats. Grâce à la disponibilité d'une interface pour caméras MIPI CSI-2 qui, pour la première fois, intègre un processeur de signal d'image (ISP), les images fournies par les capteurs peuvent être traitées en temps réel avec un excellent rendement énergétique sans nécessiter l'intervention du processeur.

Des modules COM Express compacts

Les trois premiers SoC embarqués 15W de la 6 e génération de la plate-forme Intel Core sont les processeurs dual-core Intel Core i7-6600U, Intel Core et Intel Core i5-6300U, i3-6100U avec le support de l'hyper-threading. Leurs performances sont indiquées dans le tableau ci-contre. Les conceptions pour l'embarqué et l'IoT avec 15 W de TDP sont idéales pour les formats compacts. Si un ensemble personnalisé d'interfaces est nécessaire, ce qui est le cas dans de nombreux designs compacts, des calculateurs monocartes de type COM ( Computer-on-Modules ) constituent le meilleur choix. La spécification PICMG COM Express est dédiée au segment haut de gamme. Dans les conceptions où l'espace est limité, le format COM Express Compact est le plus souvent utilisé. Il offre un encombrement compact de seulement 95x95mm et, en même temps, inclut deux connecteurs à monter en surface (SMD) à double rangée dotés de 440 contacts pour de nombreuses interfaces à haute vitesse. Qui plus est, le COM Express est optimisé pour les interfaces PC standard de haute performance et répond aux plus hautes exigences de robustesse grâce à une connexion stable à la carte porteuse de l'application spécifique. Dans de nombreux cas, les conceptions haut de gamme sans ventilateur reposent typi-quement 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.

Cette illustration représente une conception de haute performance sans ventilateur et compactée dans un encombrement de 95 x 95 mm : le module conga-TC170 est doté d'un refroidissement passif et d'une carte porteuse.

Quand conception de systèmes et processeurs vont bien ensemble

Chaque conception de systèmes amène toujours un certain nombre de questions difficiles auxquelles les ingénieurs dans le domaine de l'embarqué doivent répondre. Mon design est-il vraiment adapté au processeur choisi? Vais-je être capable de faire fonctionner le système sur le long terme et sans surchauffe ? L'application va-t-elle stopper le système lorsqu'il y aura des pics de charge? Il est essentiel de veiller à ce que la conception ne mette pas le processeur en surchauffe, car cela en raccourcirait la durée de vie ou risquerait de conduire à des pannes extrêmement prématurées. Heureusement, il existe désormais non pas un, mais deux facteurs qui rendent plus aisés pour les développeurs, d'une part, l'obtention du juste équilibre entre conception du matériel, choix du processeur et exigences de l'application et, d'autre part, le développement d'applications qui atteignent vraiment les limites du possible avec une enveloppe thermique de 15 W.

Le premier facteur est l'enveloppe thermique configurable du processeur (cTDP). Le deuxième facteur est la disponibilité de solutions de refroidissement sans ventilateur qui conviennent au module ordinateur et au processeur. Ces deux facteurs font qu'il est possible d'optimiser la conception étape par étape pour satisfaire les exigences d'une application précise et d'une conception matérielle donnée. Les nouveaux processeurs SoC 15 W sont ainsi configurables de 7,5 à15W.Sil'application est sujette à un e surchauffe du système dans certains scénarios, il est possible de minimiser la zone critique en limitant la valeur maximale de chaleur, de sorte que le système reste toujours dans la gamme thermique permise. Une autre option consiste à essayer différents types de dissipateurs de chaleur, à condition que ces autres concepts de refroidissement correspondent à un encombrement identique.

Depuis que les spécifications PICMG COM Express permettent aux concep-teurs de définir la hauteur du dissipateur thermique, il est possible de développer des solutions alternatives de refroidissement ayant un encombrement identique ( voir figure page 37 ). Celles-ci peuvent aller de simples radia-teurs intégrés avec des ailettes à des radiateurs avec boîtier de raccordement ou des refroidisseurs à haute performance associant conduits de chaleur et dissipateurs thermiques. Pour des conceptions entièrement closes qui ont besoin d'exploiter les 15 Waumaxi-mum, un système de convection interne est recommandé. Une autre option consiste à connecter le dissipateur de chaleur au boîtier extérieur.

La disponibilité de processeurs à enveloppe thermique configurable ainsi que de kits de démarrage offrant différentes options en termes de dissipation de chaleur permet aux développeurs de systèmes d'aboutir plus rapidement à une solution acceptable pour la conception du système et de son habitacle. La nouvelle génération de processeurs Intel Core va grandement faciliter la conception thermique. Cependant, les développeurs OEM continueront à faire face à des questions auxquelles ils ne pourront répondre qu'en s'adressant directement à l'expertise des fournisseurs de modules. C'est un réel avantage si le fabricant a établi un processus transparent qui garantit un support personnel, rendant inutile de tout reprendre à chaque fois du début à la fin.

Christian Eder, directeur marketing de Congatec Article adapté par Pascal Coutance