Industrie-PCs Das wichtige Segment der Box-PCs erhält offenen Standard

Von Mathias Beer*

Führende Embedded-Unternehmen des PICMG-Konsortiums arbeiten an einem offenen Box-PC-Standard, der die Vorteile teurer Systemdesigns mit denen des Box-PCs vereint. Was sich dahinter verbirgt, erklärt dieser Beitrag von Ci4Rail.

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Beispielkonfigurationen des flexiblen modularen Rechnerkonzepts, hier am Beispiel des Edge-Computers ModuCop von Ci4Rail.
Beispielkonfigurationen des flexiblen modularen Rechnerkonzepts, hier am Beispiel des Edge-Computers ModuCop von Ci4Rail.
(Bild: Ci4Rail)

Box-PCs sind besonders robuste Industrie-PC-Systeme für leistungsstarke, aber auch platzoptimierte Applikationen. Sie gehören inzwischen zum Angebot aller namhaften Embedded-Hersteller. Egal, welches Einsatzgebiet und für welchen Markt qualifiziert – jeder hat sein eigenes Portfolio an Box-PCs zu bieten. Schließlich kommen Box-PCs mit vielen Vorteilen, wie einer hohen Integrationsdichte, geringer physikalischer Größe und meist auch günstigem Preis daher.

Günstig weil Hersteller immer versuchen, die maximale Anzahl sinnvoller Schnittstellen pro Markt oder pro Anwendungsgruppe zu integrieren. Modularität ist oft innerhalb des gleichen Anbieters zwar durch verschiedene Mezzanin-Karten oder I/O-Einschübe eingeschränkt gegeben, aber all diese Lösungen sind proprietär und mit Systemen anderer Anbieter nicht kombinierbar.

So sind bei all der Fülle an verschiedenen Box-PCs auf dem Markt auch zwei wesentliche Nachteile entstanden: gegenüber System-Designs basierend auf den etablierten Standards wie CompactPCI, COM-Express oder VPX haben die breit angelegten Box-PCs auch ihre passgenaue Modularität und vor allem ihre Interoperabilität untereinander verloren.

Durch unzureichende Standardisierung bedeutet jeder Produktwechsel für den Endkunden eine neue Systementwicklung – mit allen Kosten- und Zeitauswirkungen. Kunden entscheiden sich daher faktisch nicht mehr für einen bestimmten Box-PC. Sie entscheiden sich für einen Hersteller, von dem sie Systeme für all ihre kommenden Anwendungen beziehen. Denn nur diese sind bestenfalls untereinander kompatibel und können in Entwicklungs-, Integrations- und Wartungsaufwand später voneinander profitieren. Vor allem die Softwarekosten steigen bei jedem neu eingebrachten Design immens.

Ein Box-PC-Standard ist die Lösung

Was den Kunden in der Embedded-Welt hilft, ist also ein offener Box-PC-Standard, der die Vorteile bisheriger, teurer Systemdesigns, mit denen des Box-PCs vereint – modular und trotzdem für jeden Markt geeignet. Dabei muss es über die paar wenigen standardisierten Gehäuseformen hinaus gehen. Es braucht einen einheitlichen Formfaktor nebst Montage und definierte Schnittstellen zwischen funktionalen Gruppen innerhalb des Box-PCs.

Das auf Bahnlösungen fokussierte Nürnberger Unternehmen Ci4Rail treibt mit weiteren Herstellern aus dem Embedded- und Komponenten-Umfeld nun eine solche Standardisierung innerhalb der PICMG voran. Neben Ci4Rail wirken an der Standardisierung folgende Unternehmen mit: ADLINK Technology, EKF Elektronik, Elma Electronic, ELTEC Elektronik, Embeck, ept, General Micro Systems, HEITEC, Hirose, Electric Europe, Intel, Kontron, nVent, Schroff, Samtec, Sealevel Systems und Tew Technologies.

Die Gründer der Ci4Rail haben langjährige Erfahrung in der Embedded-Industrie und es ist nicht die erste Standardisierung dieser Art, die sie im Sinne der Kunden und teilnehmender Partnerunternehmen selbst in die Hand genommen haben.

Inhalte des neuen offenen Standards

Der Standard hat folgende Ansprüche bzw. festgelegte Funktionen:

  • Kosteneffizientes Design mit geringstem Mechanik-Aufwand – keine zusätzliche Backplane oder Kühlkörper nötig. Komplanare Board-to-Board-Verbinder koppeln jede Einheit mit seinem Nachbarn und routen definierte I/O-Schnittstellen (PCIe und USB 2.0) an die jeweils nächste Baugruppe weiter.
  • Modulare, funktional gekapselte Einschub-Einheiten, genannt Units, im Raster 7 TE. Units bilden Funktionseinheiten wie Power Supply, CPU, Switch, I/O. Units können jeweils ein Vielfaches von 7 TE erreichen, um z.B. mehr Schnittstellen oder mehr Funktionalität auf einer Unit zu realisieren. Dadurch entstehen vielfältige Geräte-Kombinationen im Baukastenprinzip im 7TE-Raster (21TE, 28TE, 42TE bis 84TE), was es auch bei geringer Stückzahl kosteneffizient macht.
  • Jede Unit kann aus 1, 2 oder 3 PCB-Ebenen bestehen – je nach Komplexität. Getrennt wird typischerweise nach I/O-Physik an der Front (spezifisch pro I/O Unit) und Kommunikationsanteil zum Host und zum Nachbarn (hoher Gleichanteil).
  • Flexibles Mounting für Wand-, Din-Rail- und 19-Zoll-Sub-Rack-Montage mit minimalst aufwendigen Zubehörteilen.

Kein Vendor Lock-in, Flexibilität, Kosteneffizienz

Schematische Darstellung der Topologie der elektrischen und mechanischen Einheiten sowie Kommunikationsverbindungen zwischen den funktionalen Units.
Schematische Darstellung der Topologie der elektrischen und mechanischen Einheiten sowie Kommunikationsverbindungen zwischen den funktionalen Units.
(Bild: Ci4Rail)

Die Vorteile einer solchen Standardisierung liegen seitens des Nutzers in der Austauschbarkeit seiner Systeme bei trotzdem geringen Kosten (Platz, Kabel, Schnittstellen, Software). Und auch Hersteller profitieren, da durch die Interoperabilität zwischen den Units die eigene Kernkompetenz gestärkt und nicht jede Unit selbst entwickelt werden muss. So gäbe es für den Kunden wieder den Vorteil der schnellen Konfigurationsmöglichkeit.

Durch geringen Materialeinsatz (keine Backplane, Baugruppenträger…) und dem hohen Gleichanteil, sind anwendungsspezifische Kombinationen kosten- und ressourcensparend umsetzbar.

Gleichsam ressourcenschonend ist der Fakt, dass unabhängig von der Ausbaustufe das gleiche Software-Konzept zum Tragen kommt, sprich auch in verschiedenen Anwendungen mit verschiedenen I/O-Konfigurationen die gleiche Software verwendet werden kann. Und neben der Herstellerunabhängigkeit für Kunden besonders ausschlaggebend: Der Kunde zahlt nur, was er braucht.

Interessierte Kunden und Integratoren können sich auf den zweiten Teil dieser Serie ins Ausgabe 4/22 freuen, in dem wir Ihnen die verschiedenen Konfigurationsmöglichkeiten für spezifische Anwendungsfelder näher aufzeigen werden. Für Leserfragen steht Autor Mathias Beer von Ci4Rail gerne zur Verfügung.

* Mathias Beer ist Chief Product Officer bei der Ci4Rail GmbH in Nürnberg.

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