[APPLICATION ADVANTECH] Les modules OSM représentent une nouvelle tendance intéressante dans l’informatique embarquée. En éliminant le besoin de connecteurs, ils sont beaucoup plus compacts et robustes que les modules standard traditionnels. L’automatisation complète de l’assemblage, du soudage et des tests sur les modèles OSM permet une réduction des coûts. Ces modules sont donc particulièrement bien adaptés au développement rapide d’applications mobiles, IoT et grand public en grandes quantités, comme l'explique ici Advantech.

Auteur : Manel Aissaoui, Product Sales Manager OSM, Advantech.

Les développeurs embarqués tirent parti des Computer-on-Modules (COM) depuis de nombreuses années. Grâce à leurs interfaces clairement définies, ceux-ci permettent un haut degré de compatibilité d’échange et une intégration clé en main de packages logiciels de support de carte (BSP, Board Support Package) pour toute une variété de systèmes d’exploitation. Cela réduit le temps de développement et les risques pour les nouveaux projets, et permet en outre une grande évolutivité. Or, la flexibilité des normes de COM existantes est principalement limitée par l’engagement envers un format de connecteur spécifique pour la connexion de carte à carte et vers la carte porteuse. Ce qui fixe des limites au niveau des dimensions, du nombre de broches et de la vitesse de transmission maximale.

Les OSM, des avantages indéniables

Le Groupe de standardisation des technologies embarquées SGeT (Standardization Group for Embedded Technologies), l’organisme promoteur des standards de cartes et modules embarqués Smarc, Qseven 2.x et eNUC, a défini il a quelques années des modules dits OSM (Open Standard Modules) qui peuvent être soudés directement à une carte de base en tant que processeur dans un boîtier LGA. Une approche qui permet d’obtenir des densités de broches plus élevées malgré des dimensions nettement plus petites.

De plus, le coût du connecteur est éliminé. L’automatisation complète de l’assemblage, du soudage (au lieu du branchement manuel) et des tests permet des économies supplémentaires. L’avantage principal des OSM par rapport aux COM brochés réside également dans les tailles beaucoup plus petites des quatre variantes de modules qui s’appuient les unes sur les autres. Même le plus grand d’entre eux, la taille L, occupe 45 x 45 mm², soit moins de la moitié de l’espace du plus petit module Smarc de 82 x 50 mm², le tout avec 662 broches, soit environ deux fois plus par rapport aux 314 broches du module Smarc. Au-delà, en supprimant les connecteurs, la hauteur totale du module est également réduite, permettant ainsi des assemblages extrêmement plats, comme par exemple pour une installation derrière un écran.

Modules OSM : de multiples applications possibles

Grâce à leur petite taille, les systèmes OSM sont adaptés aux besoins des applications compactes et économes en énergie. Le soudage des composants assure un haut niveau de robustesse contre les chocs et les vibrations. Ce qui rend les systèmes OSM particulièrement adaptés aux applications dans les domaines de l’automatisation, de la robotique et de la technologie ferroviaire. La faible consommation d’énergie permet aussi une utilisation dans des systèmes alimentés par batterie, dans la technologie médicale et les transports par exemple, ainsi que dans tout type d’appareil IoT et dans les secteurs de l'électronique grand public et des bâtiments intelligents.

De plus, avec la disponibilité de processeurs d’application flanqués de coprocesseurs IA (intelligence artificielle) intégrés, économes en énergie, un tout nouveau domaine d’activité émerge : celui des appareils AIoT. Il s’agit de petits appareils IoT mobiles dotés de capacités IA spécifiques qui étendent ainsi ces appareils avec des fonctions IA typiques telles que la reconnaissance vocale et d’image. Un représentant typique de cette nouvelle génération de processeurs est le processeur d’application i.MX 93 de NXP.

Quatre modèles OSM conçus par Advantech

Dans ce cadre, Advantech a décidé d’étendre sa gamme de systèmes pour l’embarqué avec quatre modules OSM. Trois d’entre eux sont équipés de processeurs de la famille i.MX de NXP, tandis que la quatrième dispose d’un processeur à huit cœurs de Qualcomm économe en énergie. Tous les modules avec des processeurs i.MX sont également disponibles en versions pour une utilisation dans une plage de températures étendue allant de -40 à ~+85°C. Grâce à la gestion sophistiquée de l’énergie des processeurs utilisés, tous les OSM énumérés ici répondent aux exigences de la directive européenne sur l’écoconception. Le processeur i.MX 8ULP (Ultra Low Power), par exemple, nécessite moins d’un milliwatt de puissance en mode veille (mode suspendu, veille renforcée). De plus, les quatre OSM disposent chacun d’un module de sécurité TPM (Trusted Platform Module) et d’une puissante unité de chiffrement matérielle.

- ROM-2620 : le modèle d’entrée de gamme, le ROM-2620 au format S (30 x 30 mm²), est équipé d’un processeur i.MX 8 à ultrabasse consommation de NXP avec un double cœur Arm Cortex-A35 pour une vitesse d’horloge allant jusqu’à 1 GHz, associé à un cœur Arm Cortex-M33 cadencé à 216 MHz et flanqué de 1 Go de mémoire DDR4-2000, 16 Go de flash Nand eMMC. Des interfaces Ethernet 10/100 Mbit/s, Mipi DSI sur 4 voies, USB 2.0, USB 2.0 OTG, UART (x5), SPI (x1), I²S (x1), I²C (x1), GPIO (x24), PWM (x6), CAN (x1) et une entrée caméra Mipi CSI à 2 voies figurent au rang de liens de communication et d'entrées/sorties proposés. Le système d’exploitation Yocto Linux est pris en charge.

- ROM-2820 : Le ROM-2820 au format L (45 x 45 mm²) est équipé d’un processeur i.MX 93 de NXP avec un double cœur Arm Cortex-A55 pour une vitesse d’horloge allant jusqu’à 1,7 GHz, associé à un cœur Arm Cortex-M33 à 250 MHz et à un NPU (Neural Processor Unit) Ethos U65, ou d'un processeur i.MX 91 avec un cœur Arm Cortex-A55 avec 1 Go de mémoire LPDDR4-3700 et 16 Go de flash Nand eMMC. On y trouve des interfaces Ethernet 10/100/1000 Mbit/s, un port Mipi DSI à 4 voies et 1 port LVDS à canal unique, un port USB 2.0, un port USB 2.0 OTG, cinq ports UART, deux ports SPI, un port I²S, deux ports I²C, vingt-quatre ports GPIO et six ports PWM, deux ports CAN et un port d’entrée caméra MipiI CSI à 2 voies. Yocto Linux est pris en charge comme système d’exploitation.

- ROM-2860 : Le modèle emblématique des modules OSM est le ROM-2860 au format L (45 x 45 mm²) équipé d’un processeur à huit cœurs QCS6490 de Qualcomm, et qui contient les éléments suivants : un cœur Kryo 670 de la société, des cœurs de technologie Armv8 (un Gold plus cadencé jusqu’à 2,7 GHz, trois Gold cadencés jusqu’à 2,4 GHz et quatre Silver jusqu'à 1,9 GHz), un VPU (Visual Processor Unit) et un GPU (Graphical Processor Unit) Adreno et un accélérateur Hexagon AI délivrant jusqu’à 13 Tops (téraoperations par seconde). La mémoire embarquée se compose de 8 Go de RAM en technologie LPDDR5-8533. Interfaces proposées deux Ethernet 10/100/1000 Mbit/s, deux Mipi DSI à 4 voies, un DP, un eDP1.4, un USB 3.2 Gen1, un USB2.0, quatre UART 4-Wire, un SPI, deux I²S, deux I²C, seize GPIO, six PWM, un UFS, un eMMC et un SDIO. Le module peut être utilisé dans la plage de températures de -20°C à +70°C. Ubuntu et Windows 11 sont pris en charge en tant que systèmes d’exploitation.

Cartes porteuses : développer soi-même ou acheter ?

Des cartes porteuses appropriées pour le développement sont disponibles pour tous les modules OSM répertoriés plus haut. Ce qui signifie qu’il est possible pour un ingénieur de commencer à développer/porter un logiciel immédiatement, même en l’absence d’une carte porteuse. Des schémas de circuits imprimés de référence sont disponibles gratuitement pour le développement de vos propres cartes porteuses, ce qui réduit considérablement les temps de développement. Cependant, il est également possible pour les clients de faire développer et fabriquer une carte porteuse complète par les services de conception et de fabrication d’Advantech à Munich. Comme pour les modules standard classiques avec connecteurs (Qseven, Smarc, COM Express et COM-HPC), l’utilisateur peut profiter ou acheter exactement le niveau de service dont il a besoin pour son projet.

Il est également possible de développer rapidement et à moindre coût une conception entièrement personnalisée reposant sur une solution de module existante.

On le voit, les modules OSM combinent les avantages des modules standard avec la tendance à une intégration plus élevée et à des dimensions plus petites. En raison de leur densité de broches plus élevée par rapport aux modules à connecteurs, le nombre de broches peut être considérablement augmenté malgré des dimensions plus petites. Ce qui permet aux développeurs d’avoir un accès direct à encore plus de fonctionnalités sur le processeur ou la plate-forme, tout en conservant la même compatibilité. La viabilité à long terme est également assurée par un grand nombre de broches de rechange encore disponibles, ainsi que par un écosystème indépendant de fabricants d’une grande variété de composants au sein du comité de normalisation SGeT.

Les possibilités des OSM sont principalement limitées par la dissipation de puissance maximale transformable, qui est de l’ordre de quelques watts. L’utilisation des OSM se concentre donc généralement sur les appareils ultramobiles alimentés par batterie. La petite taille et la faible masse qui en résulte, en combinaison avec la connexion de soudure stable, garantissent une robustesse et une insensibilité exceptionnelles aux chocs et aux vibrations. Des caractéristiques qui les rendent adaptés aux applications industrielles spécifiques, telles que la robotique, les systèmes embarqués pour véhicules et le secteur du transport.

La rentabilité plus élevée des OSM va conduire à leur adoption dans les domaines les plus sensibles aux coûts et dans les projets avec des volumes élevés, de plus de quelques dizaines de milliers de pièces par an.