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。越來越多的機器正在連接，其中許多機器處于偏遠和具有挑戰(zhàn)性的環(huán)境中，例如石油和天然氣、機車、運輸和船舶推進系統(tǒng)。為了在更短的時間內(nèi)滿足對更多數(shù)據(jù)的需求，這些系統(tǒng)必須更快、更長時間地工作。隨著對數(shù)據(jù)的需求加速是計算機處理器的發(fā)展。但企業(yè)無法承擔更換處理器所需的停機時間，或升級處理器時更換載板的費用。根據(jù)能源部 2006 年的一項研究，閑置的工業(yè)機械每分鐘的成本可能高達 800 美元。

需要一個模塊化的嵌入式計算架構(gòu)來解決這些成本和停機時間問題。也許當今可用的模塊化架構(gòu)中最引人注目的是 COM Express。COM Express 為當今日益互聯(lián)的世界提供了必要的計算能力，同時還延長了底層系統(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)省時間和金錢。COM Express 技術(shù)的模塊化、簡單性和可靠性有助于企業(yè)保持競爭力、盈利和靈活性。

利用處理能力的升級

基于 COM Express 的技術(shù)由 PICMG 于 1994 年開發(fā)，PICMG 是一個由 250 家公司組成的聯(lián)盟，為高性能計算應(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)的性能來保持競爭力。

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鐘速度，這些公司都在不斷響應(yīng)對更多、更快的全面計算的需求——無論是在臺式機上還是在嵌入式工業(yè)系統(tǒng)中。但是，每當有令人信服的新一代技術(shù)可用時，更換一個完整的子組件或子系統(tǒng)是耗時、昂貴且有風(fēng)險的。然而，利用更高水平的處理器能力和性能是當務(wù)之急。將處理器模塊與底層載體分離意味著技術(shù)升級是無痛且負擔得起的。

除此之外，模塊化 COM Express 方法允許用戶靈活地以適當?shù)膬r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，以實現(xiàn)高價值、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間。

現(xiàn)代機車是這種靈活性的完美用例。今天的機車中有近十幾個計算機處理器。雖然這些計算機的處理要求不同，但它們中的大多數(shù)具有相似的 I/O 要求。根據(jù)應(yīng)用程序的適當處理器功率級別，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，可實現(xiàn)價格/性能平衡。

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

在提到的機車示例中，可以升級 COM Express 處理器模塊，而不會影響與位于載板上的引擎 I/O 的連接——減少昂貴且耗時的重新認證和測試。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，COM Express 可以顯著延長關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中關(guān)鍵元件的使用壽命——這對于石油和天然氣、能源和運輸?shù)裙I(yè)應(yīng)用來說是一個寶貴的好處。在利用商業(yè)技術(shù)時尤其如此 - 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，對于許多此類組件供應(yīng)商而言，確保這些產(chǎn)品持續(xù)競爭力的長期承諾——以及對研發(fā)大量投資的要求——意味著此類組件通常具有相對較短的使用壽命，并且無法從支持資金充足的計劃，以盡量減少過時的影響。

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)品進入市場，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)的用戶提供了一個真正的機會——這是一個模塊化架構(gòu)最大限度地利用的機會，使物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 成為現(xiàn)實。

惡劣環(huán)境下的可靠性

COM Express 要提供真正的商業(yè)利益，它必須提供另一個重要屬性：可靠性。我們正處于“永遠在線”計算的時代：燈永遠不能熄滅。停機時間意味著收入損失。在許多關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施系統(tǒng)運行的惡劣、敵對環(huán)境中，這是一個挑戰(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、鉆井平臺或運輸系統(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 +85 oC 的溫度下運行——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 40克的沖擊以及來自機械或飛機發(fā)動機的極端振動。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、測試、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，是一個艱苦而嚴格的過程——但如果要實現(xiàn)最大的可靠性和正常運行時間，這一點至關(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)用的擴展溫度、沖擊和振動水平。在最大性能應(yīng)力下測試模塊也變得更加容易，例如，這可以幫助設(shè)計人員在設(shè)計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)計受到了相當大的關(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)計和測試工程師不必等到整個載板開發(fā)完成來驗證處理器模塊設(shè)計。這種平行的——甚至是地理上分散的——開發(fā)可以減少開發(fā)時間和成本，同時仍然為惡劣的工業(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)不同的價格、功率和性能點，使完全堅固的 COM Express 模塊化架構(gòu)成為當今互聯(lián)世界的高性能工業(yè)自動化應(yīng)用的杰出選擇。堅固耐用的 COM Express 不僅可以顯著降低生命周期總擁有成本并延長自動化應(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)的力量和機遇的機會，同時提供出色的可靠性。

審核編輯：郭婷