Industriële applicaties realiseren met MicroTCA
Computers zijn niet meer weg te denken uit industriële applicaties. Ze worden gebruikt voor besturing, data-acquisitie, meet-en regel, visualisatie en controletaken. Voor veel van die taken zijn de eisen die aan deze computers gesteld worden steeds hoger geworden. Naast rekenkracht is ook snelle dataoverdracht een belangrijke eis. De meest gebruikte bussen ISA en PCI voldoen niet altijd meer aan deze eisen. MicroTCA, de nieuwe hardware norm voor modulaire computersystemen is gebaseerd op de supersnelle PCIExpress bus en kan moeiteloos voldoen aan de nieuwe hoge eisen.
Industriele pc’s, VME- en CompactPCI systemen
Een industriële pc is gedefinieerd als een robuuste, tegen industriële omgevingen bestendige uitvoering van een standaard pc. Toepassing in industriële omgevingen wordt bemoeilijkt door de oorspronkelijke opbouw van een dergelijke pc, waarbij het gebruik van een moederbord met PCI-kaarten de koeling niet eenvoudig maakt.
Daarnaast zijn onderdelen lastig en vaak alleen door vakmensen uit te wisselen. Speciale kaarten voor industriële doeleinden moeten ook vaak zelf ontwikkeld worden. Verder hebben pc-componenten vaak een zeer korte levenscyclus.
Een alternatief wordt geboden in de vorm van microcomputersystemen die volgens de VME- of CompactPCI normen zijn gebouwd. Deze systemen zijn in vergelijking met industriële pc’s echter aanzienlijk duurder. Dit wordt mede veroorzaakt doordat ze speciaal op de industriële eisen zijn afgestemd. Zo is het eenvoudig om kaarten te wisselen, is de koeling vele malen beter en bestaat er een groot aantal leveranciers van specifieke kaarten.
De nieuwe oplossing: MicroTCA
MicroTCA is gebaseerd op de moderne seriële dataoverdracht en is daardoor de standaard voor de toekomst. Door de flexibiliteit, schaalbaarheid en de kleine formfactor zijn de systemen zeer goed op elke applicatie aan te passen. MicroTCA is in eerste instantie ontwikkeld voor de telecommunicatie-industrie, maar kan heel eenvoudig teruggeschaald worden naar eenvoudiger systeemfunctionaliteit. Dankzij de modulariteit is snelle en eenvoudige service en ondersteuning mogelijk.
MicroTCA biedt door het systeemconcept een beter koelingsconcept dan industriële pc’s. Bovendien zijn er momenteel al een veelvoud van aanbieders van diverse AMC-modules met een wezenlijk langere levenscyclus dan standaard pc-kaarten. Daarbij hebben de fabrikanten van MicroTCA producten gelet op service en ondersteuning.
Door de grote interesse vanuit de telecom, industrie, defensie en andere markten gecombineerd met het grote aantal fabrikanten is de verwachting dat de prijzen snel aantrekkelijk zullen worden zodat op die manier een echt alternatief voor industriële pc’s en eventueel ook voor VME- en CompactPCI systemen gevormd kan worden.
Overstap naar MicroTCA
Bij MicroTCA zijn er diverse aandachtspunten die de keuze voor de overstap naar MicroTCA kunnen beïnvloeden. Deze aandachtspunten verschillen per gebruiker en per applicatie. Het is ook mogelijk dat niet alle punten voor de overstap van belang zijn, het kan gebeuren dat een voordeel van MicroTCA voor een gebruiker zo interessant is, dat toekomstige ontwikkelingen op deze nieuwe standaard gebaseerd worden.
Compacte formfactor
De ontwikkeling van steeds kleinere computermodules met veel functionaliteit is niet te stoppen. Speciaal bij componenten voor decentrale automatisering spelen kleine compacte eenheden een grote rol. MicroTCA heeft, in vergelijking met industriële pc’s en VME- en CompactPCI systemen, de kleinste formfactor.
Uit de in de specificatie gedefinieerde grootte van de bevestigingsschroeven van de voedingsmodule (M3) volgt, om constructieve redenen, een minimale hoogteafmeting van 3HE. De breedte is vastgelegd op 19" en de diepte bedraagt 200 mm.
Bij horizontale montage kunnen in een modern CompactPCI systeem van 3HE hoog, zes kaarten gemonteerd worden. Een MicroTCA systeem met dezelfde hoogte kan 10 tot 12 modules inclusief MicroTCA-carrier-hubs bevatten. Daarbij is ook nog plaats voor twee voedingsmodules. Dat zijn dus 12 functionele modules in volledige redundantie.
De zeer kleine AMC-formfactor maakt het mogelijk compacte behuizingen (Pico of Cube-systemen) te bouwen, die eenvoudig op montageplaten te bevestigen zijn. Dat alleen kan al reden genoeg zijn om te schakelen naar MicroTCA, meer prestatie en functionaliteit in dezelfde of minder ruimte.
Modulariteit en schaalbaarheid
Modulariteit is het principe, waarmee een complex product of systeem in kleinere eenheden onderverdeeld en onafhankelijk van elkaar ontwikkeld kunnen worden, om daarna tot een geheel te worden samengevoegd. Hoe minder verschillende interfaces er tussen de verschillende modules zijn, hoe meer compatibel en gevarieerder het uiteindelijke systeem kan worden. In vergelijking met industriële pc’s biedt de modulariteit van MicroTCA de gebruiker het grote voordeel dat kaarten eenvoudiger en tijdens operationeel gebruik (Hot Swap) gewisseld kunnen worden.
De schaalbaarheid, maar ook de aanpassingsmogelijkheden aan gewijzigde eisen, wordt bij MicroTCA aan de ene kant door de modulariteit en aan de andere kant ook door de cascademogelijkheden van systemen verzorgd. Tussen kleine 2-slot systemen via Cue- en Pico-systemen tot volledig uitgeruste 19" brede systemen bevindt zich een enorm bereik aan applicaties, van "low-level" tot absolute "high-tech"-oplossingen.
Daarnaast kunnen dit soort systemen door cascadeschakeling nog verder uitgebouwd worden. Hierbij maakt de snelle seriële dataoverdracht een positief verschil. Die verzorgt een snelle overdracht bij gekoppelde systemen. Moderne industriële pc’s kunnen via een PCB-"bridge" uitgebreid worden, maar de achterliggende systemen worden wel vertraagd aangesproken. Acht-slots CompactPCI-systemen kunnen op dezelfde manier worden uitgebreid. De cascadering van de dataoverdracht gebeurt ook daar over de parallelle bus.
Meerdere CPU’s in één systeem
Een ander voordeel van MicroTCA-systemen ten opzichte van industriële pc’s of CompactPCI-systemen is dat er meerdere CPU-kaarten in hetzelfde systeem gebruikt kunnen worden. Het systeemmanagement, dat de dataoverdracht controleert, zorgt ervoor dat tot zelfs 12 CPU’s parallel in een systeem kunnen werken. Dit zorgt ervoor dat de taken over meerdere CPU-kaarten worden verdeeld, waardoor het systeem nog krachtiger wordt.
Snelle, seriële dataoverdracht
Zowel in pc’s als in de industrie is een ontwikkeling gestart weg van de parallelle bus richting seriële dataoverdracht.
PCI wordt vervangen door PCIExpress, Gigabit Ethernet werkt al met seriële dataoverdracht, ATA/IDE wordt vervangen door SerialATA en zo verder. Deze vervanging van de PCI-bus, die de basis is van CompactPCI, heeft er voor gezorgd dat ook voor CompactPCI-systemen een seriële CompactPCIExpress bus ontwikkeld wordt.
Deze trend werd bij de ontwikkeling van MicroTCA al meegenomen.
Bij MicroTCA is er geen parallelle bus meer voor dataoverdracht. De dataoverdracht gebeurt via point-to-point verbindingen en wordt via zogeheten "ports" gerealiseerd. Een poort bestaat daarbij altijd uit twee differentiële leidingparen, waarbij het ene specifiek voor het zenden van data is en het andere voor het ontvangen. Op die manier kunnen meerdere "deelnemers" tegelijkertijd op volle snelheid data uitwisselen. De twee unidirectionele leidingparen maken gelijktijdig zenden en ontvangen mogelijk. Hierdoor verdubbelt de snelheid al ten opzichte van parallelle bussen. Daarbij moesten bij parallelle bussen de diverse "deelnemers" op elkaar wachten zolang een van hen de bus in gebruik had. MicroTCA ondersteunt nu al de volgende overdrachtsprotocollen: Gigabit Ethernet, PCIExpress, Rapid I/O, serialATA en Advanced-switching, andere protocollen zullen in de nabije toekomst worden toegevoegd. Het grote voordeel van snelle dataoverdracht komt ook industriële toepassingen ten goede, misschien minder voor machinebesturing, maar zeker voor beeldverwerking waar snelle dataoverdracht een vereiste is.
Beschikbaarheid van Chipsets
Een ander argument om over te stappen op MicroTCA is de beschikbaarheid van Chipsets. Zelfs als een gebruiker de snelle seriële dataoverdracht niet nodig heeft kan het zinvol zijn om te schakelen op MicroTCA voor nieuwe ontwikkelingen. Het kan namelijk zo zijn dat de huidige chipsets over een aantal jaren niet meer verkrijgbaar zijn. Daar de parallelle bus op steeds meer plaatsen terrein verliest zullen ook de geproduceerde aantallen van deze chipsets teruglopen. Ook heeft de invoering van loodvrije producten de beschikbaarheid van deze producten verslechterd. Dit betekent dat de hoeveelheid beschikbare producten kleiner wordt terwijl de prijzen zullen stijgen.
Redundantie, Hot-Swap en Systemmanagement
Er zijn toepassingen waarbij een systeembeschikbaarheid van 99,999% of meer vereist is. In de MicroTCA-specificatie is de mogelijkheid voor complete redundante opbouw van systemen al meegenomen. De zeer hoge beschikbaarheid van zulke systemen wordt onder andere door het redundante concept van de koeleenheid (twee koeleenheden) en de stroomvoorziening (twee voedingen) en het gebruik van een dubbel-ster backplane met twee MicroTCA-carrier-hubs verzorgd. Belangrijk hierbij is ook de "Hot-Swap" mogelijkheid van de diverse onderdelen. Dit betekent dat de uitwisseling van een bepaald onderdeel tijdens normaal bedrijf kan worden vervangen, zonder dat de systeembeschikbaarheid verminderd. In de systeemspecificatie is ook het thema "systemmanagement" opgenomen. Het gebruik van een omvangrijk "systemmanagement" wordt door steeds meer gebruikers gevraagd, zoals dat al bij CompactPCI systemen gebruikt werd en in AdvancedTCA systemen bekend is als de Shelfmanager.
Deze managementspecificaties zijn bij CompactPCI in een aanvullende specificatie gedefinieerd.
De mogelijkheid om een veelheid aan systeemgegevens op een centrale plaats uit te lezen is ook voor de bewaking op afstand van groot belang en ondersteunt de hoge systeembeschikbaarheid. Mocht er bij een dergelijk systeem een van de voedingen uitvallen, dan wordt dat via het management gemeld. De tweede voeding neemt zonder onderbreking over en er blijft voldoende tijd over om de defecte voeding te vervangen, zelfs als het systeem aanstaat. In de MicroTCA-specificatie is een zeer efficiënt management al vanaf het eerste begin meegenomen. Hierdoor zijn alle componenten optimaal op elkaar afgestemd.
Effectieve koelconcepten
Komt er meer rekenkracht op een klein oppervlak beschikbaar, dan wordt er meer vermogensverlies gegenereerd in de vorm van warmte die ook weer afgevoerd moet worden. Effectieve koeling is bij industriële pc’s door de opbouw, de plaatsing van het moederbord en de pci-kaarten niet eenvoudig. Bij VME-, CompactPCI- en MicroTCA-systemen is de plaatsing van de kaarten wezenlijk beter voor de koeling van de kaarten.
Naast MicroTCA toepassingen die zonder extra koeling moeten functioneren zijn er ook toepassingen met grote warmteverliezen die gekoeld moeten worden. Voor dit soort systemen is in de specificatie geforceerde luchtkoeling gedefinieerd. De koelingsbehoefte voor AdvancedMC-modules is dan ook in de PICMG-specificatie AMC.0 R2.0 beschreven. Geschikte koelingseenheden kunnen separaat worden toegevoegd of direct worden geïntegreerd in de verschillende printkaartrekken.
Afhankelijk van de toepassing kunnen voor MicroTCA-systemen diverse koelingconcepten worden toegepast. Als standaardkoeling wordt gebruik gemaakt van standaard luchtkoeling. Hierbij onderscheidt men twee koeltechnieken: Push- en Pull-koeling. Beide oplossingen hebben eigen voor- en nadelen die koelluchtvolume, levensduur van de ventilatoren, luchtverdeling of de afmetingen van het systeem beïnvloeden. Bij grote verliezen, waarbij gewone luchtkoeling niet afdoende is, bestaat de mogelijkheid om te koelen door middel van de lucht/water warmtewisselaar van Schroff. Bij de koeling van zeer krachtige MicroTCA-systemen op componentniveau geeft Schroff de voorkeur aan directe koeling van de AMC-module met een hybride-oplossing van gecombineerde lucht/waterkoeling in het chassis. De kritische componenten op de printkaarten worden met speciale waterkoelingelementen direct gekoeld. De warmte die in de overige elektronische componenten wordt opgewekt is eenvoudig met luchtkoeling af te voeren.
Klein gebrek: niet achterwaarts compatibel
Naast alle voordelen die MicroTCA de gebruiker biedt, moet men zich ook realiseren dat er voor vele gebruikers mogelijk een groot nadeel is. MicroTCA is een volledig nieuwe standaard en kent dus geen achterwaartse compatibiliteit. Wie een omvangrijk productenpakket heeft gebaseerd op VME- of CompactPCI en de compatibiliteit met deze producten moet garanderen zal niet zomaar over kunnen stappen op MicroTCA. Niet alleen de nieuwe ontwikkelingen, maar ook de al bestaand producten zullen moeten worden omgezet naar MicroTCA. De daarmee gepaard gaande kosten zijn aanzienlijk. Hier biedt de overstap naar de CompactPCIExpress of van VME naar VXS de mogelijkheid om toch gebruik te maken van snelle seriële dataverbindingen waarbij terwijl de compatibiliteit gewaarborgd blijft.
Prijs: Interessanter dan VME- en CompactPCI-systemen
Natuurlijk is naast de technische voordelen ook het kostenaspect van belang. De bandbreedte in prijsverschil tussen de diverse systemen is net zo groot als het verschil tussen low-end en high-tech oplossingen. Aan de bovenkant van deze bandbreedte zijn de prijzen vergelijkbaar met AdvancedTCA systemen.
De "low-cost" oplossingen kunnen, gecombineerd met de technische voordelen, zeker bij nieuwe ontwikkelingen voor industriële toepassingen ook gangbare 19" industriële pc’s of embedded oplossingen vervangen. Een MicroTCA-systeem wordt door de technische voordelen waarschijnlijk wel iets duurder dan een oplossing met een industriële pc, maar zeker goedkoper dan een VME- of CompactPCI-oplossing. Deze positionering is al bij het opzetten van de specificatie bedacht. Er zijn opgaven gemaakt voor module- en systeemfabrikanten wat de maximale prijs mocht zijn voor de diverse componenten en het totale systeem. De prijskloof tussen bestaande industriële pc’s en VME- of CompactPCI-systemen is door MicroTCA een stuk kleiner geworden.
Veel toepassingen denkbaar
De grote openheid van de PICMG MicroTCA-specificatie en de mogelijkheid tot combineren van de vastgelegde AdvancedMC-moduleafmetingen in een MicroTCA-systeem maakt het mogelijk diverse uiteenlopende systemen te realiseren.
De flexibiteit en modulariteit maakt een groot bereik aan applicaties mogelijk, van "low-level" tot absolute "high-tech" oplossingen. Met een volledig opgebouwd MicroTCA-systeem wordt bijna het prestatieniveau van een AdvancedTCA-systeem bereikt, maar aan de andere kant zijn ook zeer kleine systemen met weinig AdvancedMC-modules mogelijk.
Voor alle ondernemingen, die vandaag de dag industriële pc’s of VME- en/of CompactPCI systemen gebruiken en een of meer van de eerdere genoemde voordelen in de huidige systemen missen is het zeker aan te raden de overstap naar MicroTCA te overwegen.