AMD Embedded R-Series Plattform Inspiriert Zu Innovativen Neuen Applikationen in Small Form Factor Board Designs

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AMD Embedded R-Series Plattform Inspiriert zu innovativen neuen Applikationen in Small Form Factor Board Designs

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Inhaltsverzeichnis

1. Einleitung 3 2. APUs: Große Performance in kleiner Verpackung 4 2.1 APUs unter die Haube geschaut 5 3. Auswirkung auf kleine Formfaktoren 7 3.1 Wie klein ist klein? 7 3.2 Betrachtung des Thermal-Designs 11 4. Die AMD R-Series APUs auf SFF Boards nutzen 13 4.1 COM Express® und seine Varianten 13 4.1.1 Umsetzung mit AMD R-Series APU 14 4.2 Das stapelbare SUMIT™ Erweiterungsinterface 15 4.2.1 SUMIT Signale 16 4.2.2 Legacy Support 16 4.2.3 Umsetzung mit AMD R-Series APU 17 4.3 COMIT™ 18 4.3.1 COMIT Signale 18 4.3.2 Umsetzung mit AMD R-Series APU 19 4.4 PC/104 Standards 19 4.4.1 PCI/104-Express™ und PCIe/104 20 4.4.2 Umsetzung mit AMD R-Series APU 21 4.5 Qseven® 23 4.5.1 Der MXM Konnektor 24 4.5.2 Umsetzung mit AMD R-Series APU 24 5. Fazit 25 6. Weiterführende Informationen 26

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1. Einleitung In den letzten Jahren hat sowohl die Nachfrage der Verbraucher nach Multimedia-reichen, tragbaren Handheld-Geräten als auch die Nachfrage der Industrie und der Verteidigungstechnik nach Miniaturisierung mehrere große Trends in der Technologie und im Design von Embedded Systemen hervorgebracht und beschleunigt: ▲ Neue, kompakte High-Speed-Interconnect Schemata, die völlig unabhängig von Formfaktor- Standards für Boards sind, wurden definiert und weiterentwickelt (sie werden gemeinhin als "Connectorology" bezeichnet. Dieser Begriff wirkt zunächst obskur. Er erlangt aber in der Industrie zunehmend allgemeine Anerkennung). ▲ Modulare Designs wie COMs (Computer-On-Modules) oder stapelbare Board-Systeme, die die Entwicklung der Prozessor-basierten Boards von den I/O-Boards trennen, reduzieren den Bedarf nach Inhouse-Designs und erweitern die Vielfalt und Verfügbarkeit von Modul- Lösungen, die off-the-shelf verfügbar werden. ▲ Immer kleinere Formfaktoren. ▲ Legacy-Standards bleiben weiterhin verfügbar und finden weiterhin ihre Anwendung sowohl auf Board-Formfaktoren als auch bei Interconnect-Systemen, um so die Systemkosten gering zu halten und eine schnelle Markteinführung sicherzustellen, obwohl auch neue serielle Hochgeschwindigkeits-I/O-Schnittstellen zunehmend implementiert werden, um eine höhere Leistung bei den Peripheriegeräten zu unterstützen. ▲ Die Feature-Sets diversifizieren sich zunehmend, aufgrund der raschen Verbreitung einzigartiger Anwendungen, die sehr spezifische Anforderungen stellen. ▲ Die umfassende Energie-Effizienz und Verwaltbarkeit wird wichtiger als einzig nur hohe Leistung oder geringer Stromverbrauch.

Neue Prozessoren und Chipsätze steigern weiterhin die Leistung und senken den Energiebedarf. Und um Small-Form-Faktor Ansprüchen gerecht zu werden, werden CPU, Grafik und I/O-Funktionen sehr schnell in Zwei-Chip-(und sogar Single-Chip)-Lösungen integriert. Dies zwingt nun Board- und Systemlieferanten, neue standardisierte Methoden zu entwickeln, die den Entwurf von modularen und skalierbaren Systemen ermöglichen, die nur minimale Änderungen bei der vorhandenen Software und beim Chassis-Design erfordern. Und da sich alle diese CPUs, Plattformen und Interconnect-Schemata kontinuierlich weiterentwickeln, hat sich eine natürliche (und notwendige) symbiotische Beziehung zwischen den verschiedenen Akteuren auf dem Markt gebildet: Konsortien, Normungsgremien und andere Partnerschaften stellen dabei sicher, dass sowohl die daraus resultierenden Produkte als auch die Benutzer dieser Produkte den vollen Nutzen aus all diesem technologischen Fortschritt ziehen können.

In den letzten Jahren waren Systemdesigner ziemlich geschickt darin, Desktop- und Mobil-PC-Lösungen "kraftschlüssig" in Embedded-Formfaktoren zu implementieren, die ein hohes Maß an Leistung erforderten. Am anderen Ende der Skala haben neue Low-Power-x86er-(und Nicht-x86er)-Lösungen zu einer ganzen Generation von neuen, innovativen Handheld- und Mobil-Geräten inspiriert. Aber trotz weiterer Verbesserungen bei Leistung und Energieeffizienz stehen Designer von kleinen Formfaktoren und tragbaren Systemen immer noch vor großen Herausforderungen, wenn sie in ihre ehrgeizigsten Plattformen State-of-the-Art-Lösungen integrieren wollen, die einen traditionellen Zuschnitt aus CPU- und Grafik-Prozessor bieten. Es tut sich folglich eine Lücke auf, da es bis jetzt keine Lösung gibt, die hohe Performance-pro-Watt Level bei hoher Integration und Packungsdichte bietet, um echtes High-

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End-Processing und Grafikleistung auf diskretem Niveau auf hoch mobilen Formfaktor-Designs im Handheld-Format zu bieten. Bis jetzt...

Die neue AMD Embedded R-Series Plattform überbrückt die Lücke zwischen Hochleistungs-PC- Lösungen und energiesparenden Embedded-Lösungen, indem sie eine beispiellose Kombination aus Leistung, Energieeffizienz und Integration in den Embedded-Markt bringt. Entwickler können mit ihr Applikationen entwickeln, die auf mobilen und anderen kleinformatigen Geräten immersives Multimedia und visuell beeindruckende Erfahrungen bei gleichzeitiger Minimierung der Produkt-Lebenszyklus- Kosten bieten. Die AMD R-Series Plattform ist die nächste Generation der bewährten Accelerated Processing Units (APU) von AMD. Sie kombiniert die Leistung von AMDs CPU-Technologie mit einer AMD Radeon™ Grafikperformance der diskreten DirectX11-Klasse® in einem einzigen Device.

In diesem Whitepaper erkunden wir AMDs neueste APU-Plattform und ihre Bedeutung für Small Form Factor (SFF) Embedded-Designs. Zudem bieten wir einen Überblick über einige der neuesten und beliebtesten Konnektoren und Board-Standards, die es System-Designern ermöglichen, eine höhere Performance und mehr Funktionen in kleinere Designs zu packen.

2. APUs: Große Performance in kleiner Verpackung Im vergangenen Jahrzehnt folgten die Fortschritte in der Halbleitertechnologie weiterhin dem Mooreschen Gesetz, das besagt, dass auf gegebener Silizium-Fläche in etwa alle zwei Jahre eine Verdoppelung der Transistoren erfolgt. Wegen dieser ständig steigenden Transistor-Kapazität haben sich Architekten von traditionellen x86er-CPUs darauf fokussiert, Leistungsverbesserung insbesondere durch Techniken wie die Erhöhung der Taktraten, die Erweiterung der Größe und Anzahl der On-Chip-Caches sowie das Hinzufügen weiterer Prozessorkerne zu erzielen. Als solche sind die Performance-Gewinne auch enorm und sie haben es ermöglicht, dass PCs beim Multitasking viel effizienter wurden; aber so schnell diese modernen PC-Prozessoren auch sind, sie alleine können immer noch nicht die Power für Bilder, Videos und digitale Signalverarbeitung liefern, die viele der aktuell aufkommenden, interaktiven Embedded- Multimedia-Anwendungen verlangen, und die eine geringe Leistungsaufnahme für Small- Form-Faktoren erfordern. Im Gegensatz zu herkömmlichen PC-Anwendungen, die in erster Linie auf skalaren Datenstrukturen und seriellen Algorithmen basieren, brauchen die aufkommenden neuen Embedded Anwendungen – wie die medizinische Bildgebung oder intelligente Kameras – Prozessoren, die riesige Datenmengen bewältigen können, die aus Hunderten, wenn nicht Tausenden von einzelnen Threads bestehen, die parallel manipuliert und bearbeitet werden müssen.

Graphics Processing Units (GPUs), ursprünglich zur Verbesserung und Beschleunigung des Renderings von 3D-Bildern gedacht, haben sich zu leistungsfähigen, programmierbaren Vektor-Prozessoren entwickelt, die eine Vielzahl von Daten-intensiven Algorithmen und Anwendungen beschleunigen können – was gemeinhin als "Stream Processing" bezeichnet wird. GPUs, wie die der bekannten AMD Radeon™ Serie, können eine Fließkomma-Rechenleistung von mehreren Teraflops auf einer einzigen PCI Express™-Grafikkarte bieten, die als Erweiterungskarte in PCs implementiert wird. Mit jeder neuen Generation, angefangen von der AMD Radeon™ X1000 bis hin zur neuesten Radeon HD 7000-Serie, wurden Features hinzugefügt und Limitierungen beseitigt: Von der Vertex-Verarbeitung von Stream- Operationen über die flexible Verzweigung und Array-Manipulation bis hin zu Append-Buffern und

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atomaren Operationen. Heute haben Dutzende der in AMD Radeon GPUs verfügbaren Prozessorkerne sogenannte Deep Pipelines und sind zueinander nahezu identisch, sodass sie hochgradig skalierbar sind und eine hervorragende Plattform für GPGPU-Berechnungen (General-Purpose GPU) von hochgradig parallelen Workloads darstellen. Im Gegensatz zu den konventionellen, sequenziell verarbeitenden CPUs, die nur eine bescheidene Parallelität in Form von Multi-Threading und mehreren Kerne bieten, sind moderne GPUs für massives paralleles Computing optimiert – egal ob für Grafik oder andere Aufgaben.

Kleinere Die-Geometrien und Innovationen im Bereich des Silizium-Designs ermöglichten es AMD, die erste Familie zu erschaffen, die CPU + GPU-Lösungen auf einem Chip-Die integriert. Mit Hunderten von Rechenkernen können diese heterogenen Multi-Core Prozessoren oder APUs dazu beitragen die Größe und den Verbrauch von eingebetteten Systemen signifikant zu reduzieren und gleichzeitig die Leistung zu steigern. Moderne GPUs sind zudem viel besser skalierbar, als die Handvoll Kerne eines CPU-zentrierten Ansatzes, und können eine um Größenordnungen höhere Leistungssteigerung für Embedded-Anwendungen im Small Form Factor Design bieten. Anwendungen findet man unter anderem in der medizinische Bildverarbeitung für beispielsweise tragbare Ultraschall-Systeme, in Smart- Kameras zur Videoüberwachung und Maschine-Vision, in integrierten Digital-Signage-Lösungen, in der digitalen Signalverarbeitung und in ähnlich rechenintensiven Aufgaben. AMDs erste APU, die AMD G-Series APU, wurde in 2011 gelauncht. Sie enthält 80 GPU-Kerne und ist in der Lage 90 GFLOPS Single Precision Performance (Berechnungen mit einfacher Genauigkeit) zu erreichen. Die neue AMD R-Series APU erhöht die Anzahl der parallelen Recheneinheiten auf 384, was mit 578 GFLOPS Single Precision Performance eine mehr als 6-fache Verbesserung bedeutet. Und das bei einer nur wenige Watt höheren durchschnittlichen Leistungsaufnahme.

Software-Entwicklungs-Tools, die Entwicklern die optimale Nutzung der Vorteile der APU-Architektur ermöglichen, haben auch einen langen Weg der Entwicklung hinter sich gebracht: Beschränkte, proprietäre Tools wurden durch fortschrittliche, offene und portable Standards ersetzt. AMDs Bekenntnis zu diesen Standards wird durch die Unterstützung für eine breite Palette von APIs und anderen Software-Entwicklungs-Tools belegt – allen voran DirectCompute (als Teil von DirectX 11) und OpenCL™. AMD stellt mit dem AMD Accelerated Parallel Processing (APP) Software Development Kit (SDK) auch eine komplette Entwicklungsplattform zur Verfügung, die eine schnelle und einfache Entwicklung von mit AMD APP (Accelerated Parallel Processing)-Technologie beschleunigten Anwendungen ermöglicht. Diese Werkzeuge gewinnen zunehmend an Bedeutung und ermöglichen es Entwicklern, auf Standards basierende Anwendungen zu entwickeln, die die kombinierte Leistung von CPU- und GPU-Kerne nutzen und die auf einer Vielzahl von Hardware-Plattformen laufen können.

2.1 APUs unter die Haube geschaut

APU steht für Accelerated Processing Unit. APUs vereinen sowohl x86-Prozessor Cores als auch diskrete Graphics Processing Units (GPUs) auf einem einzigen Die. Sie verdienten den Namen APU, weil die GPU voll programmierbar ist und die Verarbeitungsprozesse des Prozessors bei rechenintensiven Aufgaben beschleunigen kann. Bis vor kurzem war die Transistoranzahl noch so weit begrenzt, dass in der Regel eine Zwei-Chip-Lösung entwickelt wurde, die von Natur aus Performance- Einschränkungen mit sich brachte, da externe Busse eine Latenz beim Memory Access erzeugen. Werden aber auf dem gleichen Die einer APU sowohl x86er-CPU-Cores als auch SIMD-GPU-Engines

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integriert, teilen sie sich einen gemeinsamen und viel schnelleren Weg zum Systemspeicher, was diese Beschränkungen überwinden hilft. Darüber hinaus teilen AMDs APU-Implementierungen diesen gemeinsamen Speicher in mehrere Bereiche auf: Es gibt Bereiche, die vom Betriebssystem auf den x86er-Kernen genutzt werden und andere, die von der Software auf den GPU-Engines verwaltetet werden. Die APU-Architektur bietet zudem High-Speed Block Transfer Engines, die Daten direkt zwischen den x86- und GPU-Speicherpartitionen verschieben, ohne dass zusätzliche Bus-Transaktionen benötigt werden, die bei getrenntem Frame-Buffer und Systemspeicher nötig wären. Wird der Code richtig strukturiert, ist es auch möglich, Speicher-Transaktionen zwischen den CPU- und GPU-Speicher- Partitionen zu überlappen oder zu verschachteln, um so noch mehr Leistung zu gewinnen.

Abbildung 1: Die innovative Architektur der AMD R-Series APU integriert alle wichtigen Systemelemente inklusive x86er-Cores, GPU Vektor (SIMD) Engines und Unified Video Decoder und bindet diese direkt über einen gängigen Hochgeschwindigkeits-Systembus an, um so mit hoher Bandbreite und geringer Latenz Zugriff auf das Shared Memory Array zu bieten.

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Skalare Prozessorarchitekturen können pro Takt einen Befehl ausführen. Vektor-Prozessoren, wie sie in fortgeschrittenen Grafikprozessoren verwendet werden, haben Dutzende, manchmal Hunderte von Recheneinheiten, die gleichzeitig arbeiten. Nutzt man AMDs bewährte x86-Core-Technologie, die sowohl skalare Workloads wie auch Vektor-Workloads über die verbesserten Versionen der GPU- Technologie effizient verkürzen kann, kann die Systemleistung also insgesamt verbessert werden. Allerdings musste AMD viele technische Herausforderungen überwinden, um seine Vektor- und Skalar- Technologien so zu verschmelzen, dass die jeweiligen Vorteile bewahrt bleiben: Die Tatsache, dass AMD die Core-IP für beide Verarbeitungselemente hat, gab AMD erst die wichtigen Werkzeuge an die Hand, diese innovative Architektur für die nun verfügbaren APUs zu entwickeln, die einen signifikanten Vorteil gegenüber anderen Hardware-Designs bieten, die nur das eine oder das andere enthalten. Im Vergleich zu konkurrierenden Plattformen ist das Endergebnis entweder mehr Leistung innerhalb des gleichen Energiebedarfs oder aber viel geringerer Stromverbrauch bei gleicher Rechenleistung. Und in der Tat: Die neuesten APUs von AMD können jetzt eine bessere Grafikleistung als viele der heutigen Standard-Desktop-und Notebook-PCs bieten – und dies bei geringerem Energiebedarf.

3. Auswirkung auf kleine Formfaktoren Ganz gleich ob medizinische Bildverarbeitung und Diagnostik, Videoüberwachung und Bildverarbeitung, HD- und Multi-Display-Gaming-Plattformen, interaktives Digital Signage, Thin Clients, Applikationen in Fahrzeugen und viele andere mehr: APUs sind bestens geeignet für ein breites Spektrum von neuen und aufkommenden Embedded-Anwendungen, die mit kleinen Formfaktoren umgesetzt werden. Und wie bereits erwähnt, reduziert AMDs integrierte Architektur die Boardfläche einer traditionellen Drei-Chip-x86er-Plattform auf zwei Chips: Die APU und den dazugehörigen Controller Hub. Mit nur 1.437 mm2 Platzbedarf für die Chips und 1.483 BGA-Pins ist die AMD R-Series Plattform dank ihres hohen Integrationsgrads, ihrer reduzierte Pin-Zahl, der geringeren Energieaufnahme und ihrer reichhaltigen I/O-Unterstützung ideal für Small Form Factor-Designs geeignet, die nach immer mehr Performance verlangen. Neue, platzsparend zu erweiternde Formfaktoren sind bereits verfügbar und dank der wegweisenden APUs können diese einen Leistungsumfang bieten, der bisher seinesgleichen suchte.

3.1 Wie klein ist klein?

Small Form Factor Standards wie PC/104 und EBX wurden speziell für Embedded-Applikationen entwickelt und sind bereits seit langer Zeit verfügbar. Zudem haben Entwickler, die von der Standardisierung und den Skaleneffekten, die sich rund um Standard-PC-Motherboards entwickelt haben, profitieren wollten, auch daran gearbeitet, die Lücke zwischen standardisierten PC-Motherboards und Small Form Factor Embedded Motherboards zu schließen. Die fortschreitende Entwicklung hin zu kleineren standardisierten Motherboards für Embedded Applikationen zeigt Abbildung (2). Vergleicht man diese für die letzten 10 Jahre, war das kleinste, in großen Stückzahlen gefertigte Motherboard für Embedded Systeme im Jahr 2001 ein Derivat von kleinen PC-Motherboards, das als Mini-ITX mit 170 x 170 mm bekannt ist. Mini-ITX wurde dann von Nano-ITX, dem bis dato kleinsten Standard Embedded Motherboard abgelöst und bis 2007 zu Pico-ITX mit nur 100 x 72mm weiterentwickelt, was einer Verkleinerung um 75% gegenüber Mini- ITX entspricht. Neue, kleinere Plattformen werden weiterhin entwickelt, wie beispielsweise Mobile-ITX, das mit 60 x 60 mm eine neue Generation von Handheld-Geräten ermöglicht.

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Schaut man sich einige der Embedded-spezifischen Small Form Factor-Boards an, zeigt sich, dass COM-Formfaktoren (bestehend aus individuellen CPU- und I/O-basierten Modulen) in der Regel kleiner ausfallen, als standardisierte Embedded Motherboards, was in dem modularen, steckbaren Ansatz und der Notwendigkeit begründet ist, sie zusammen mit kompakten Baseboards für die I/Os zu verwenden. Und mit 90 x 96 mm ist PC/104 bereits seit 1992 ein Industriestandard für Embedded System-Module. Sowohl PC/104- als auch COM-Standards variieren in Größe und Konnektorausführung, um den verschiedenen CPU-Architekturen gerecht zu werden. Die Abbildung unten zeigt einen Vergleich einiger der gebräuchlichen Größen von Small Form Faktor Embedded Boards

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Abbildung 2: Größenvergleich der neuesten und beliebtesten Small Form Factor Boards (bzw. SBCs) und Module für Embedded Systeme. Beachten Sie die maßstabsgetreue Größe der R-Series APU und des Controller Hubs im Vergleich zur Boardgröße.

Wenn Halbleiter-Lösungen für Small Form Factor-Systeme evaluiert werden, ist es wichtig, nicht nur oberflächlich auf die Abmaße des Chips und die maximale Energieaufnahme zu schauen. Auch wenn diese Faktoren wichtig sind, können sie einen doch auf eine falsche Fährte führen und bieten kein umfassendes Bild von der Eignung einer Lösung für einen bestimmten Formfaktor. Es gibt nämlich

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zahlreiche weitere Faktoren, die ebenfalls in Erwägung gezogen werden müssen, um zu entscheiden, ob eine Halbleiter-Lösung nicht nur den Performance- und thermischen Anforderungen eines Systems gerecht wird, sondern auch nützlich und ökonomisch sinnvoll ist. Die Faktoren, die berücksichtig werden sollten, umfassen folgende Fragestellungen:

Kann das PCB bei gegebenen Abmessungen auf einer minimalen Anzahl von Layern geroutet werden? Hochintegrierte Komponenten reduzieren meist nicht die tatsächliche Anzahl der Kontakte und Signale, die auf dem PCB geroutet werden müssen. Die intelligente Integration der AMD R-Series APU Lösung eliminiert viele externe Signale und Busse, die traditionelle, hochintegrierte Lösungen aufweisen, was das Routing auf kleinen Footprints sehr viel einfacher macht oder auch kostspielige Board-Layer einspart. Ein weiterer ausschlaggebender Faktor liegt in den Lotkugelabständen (Ball Pitch). Um auch bei kleinen Baugrößen eine hohe Zahl von Kontakten (Balls) zu ermöglichen, nutzen viele Hersteller BGAs mit kleinen Lotkugelabständen von 0,6 mm oder weniger. Demgegenüber nutzt die AMD R-Serie einen Lotkugelabstand von 0,8 mm für die APU und einen Lotkugelabstand zwischen 0,8 und 1,2mm für den Controller Hub. Damit bleibt mehr Platz für das Routing zusätzlicher Pfade zwischen den BGA- Kontakten und für die Ausführung aller Signale (einschließlich Spannung und Masse) des Device über eine geringere Anzahl von Leiterplatten-Layern.

Wie viel Abwärme kann das System tatsächlich abführen? AMD folgt der industrieweit anerkannten Definition für die TDP (Thermal Design Power), also die maximale Energieaufnahme eines Gerätes für thermisch signifikante Zeiträume bei der Durchführung von nicht-synthetischen worst-case Workloads. In der Vergangenheit haben PC-Entwickler in hohem Maß auf die TDP-Angaben der CPU und anderer wesentlicher Systemkomponenten gebaut, um Kühlkörper, Lüfter und andere Lösungen zur Systemkühlung zu dimensionieren. Obwohl die TDP wichtig ist, gibt es zunehmend weitere thermische Faktoren und Umgebungscharakteristika, die Entwickler von Small Form Factor Embedded Systemen berücksichtigen sollten. Dies liegt vor allem daran, dass sich Embedded Systeme immer weiter von traditionellen PC-Implementierungen fortbewegen und dass die Applikationen, die sie betrieben sollen, immer Geräte-spezifischer werden. In diesen Fällen kann die TDP teilweise irreführend sein, da sie möglicherweise nicht die Energieaufnahme widerspiegelt, die bei der Ausführung gerätespezifischer Tasks tatsächlich benötigt wird. Die Tabelle unten zeigt, dass die AMD R-464L APU mit 35W TDP (das Modell mit der aktuell höchsten Leistungsaufnahme und Performance der Serie) bei Durchführung des 3DMark06 Benchmarks - welcher die GPU, die CPU Kerne und den Speicher-Controller sowie einem Teil der I/Os signifikant auslastet –tatsächlich nur knapp über 13 Watt aufnimmt (bzw. knapp unter 14 Watt mit Controller Hub). Sie hat also eine deutlich geringere Energieaufnahme als die TDP Angaben vermuten lässt. Auch ist festzustellen, dass andere Benchmarks, die für einige Embedded Applikationen repräsentativ sein können, sogar eine noch geringere durchschnittliche Energieaufnahme ausweisen. Diese geringen Werte für die Energieaufnahme – selbst für die leistungsstärkste AMD R-Series APU – können dazu beitragen, die Energieaufnahme auf Systemebene innerhalb der Grenzen zahlreicher Small Form Faktor Spezifikationen zu halten. In Abhängigkeit von der Größe und Komplexität des Chassis sowie vom Board-Design und der ausgewählten AMD R-Series APU kann in vielen Fällen die Energieaufnahme unterhalb der Grenzwerte gehalten werden, die lüfterlose Kühllösungen erlauben.

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APU Taktfrequenz Max. Durchschnittliche Durchschnittliche Modell PR/boost TDP Leistungsaufnahme Leistungsaufnahme 3DMark 061 YouTube2 (APU/Hub) (APU/Hub)

R-464L 2.3/3.2 GHz 35w 13.105w / 0.694w 5.240w / 0.762w

Tabelle 1: Die TDP der AMD R-Series Plattform im Vergleich zur durchschnittlichen Leistungsaufnahme Welche Funktionen bieten APU und/oder Chipsatz, die zu höherer Energieeffizienz und einem einfacheren Energie- und Wärmemanagement führen? 1: 3DMark 06: Die mittlere Leistungsaufnahme wurde in einer 10-12 minütigen Iteration des Benchmarks gemessen. 2: YouTube: Die mittlere Leistungsaufnahme wurde bei der Wiedergabe eines 720p Videos über 10 Minuten gemessen. Umfassende Test- und Konfigurationsinformationen finden sich im AMD FP2 Platform Performance and Power Optimization Guide Ausgabe # 48933 Rev 1.02 und im AMD FS1r2 Platform Performance and Power Optimization Guide Ausgabe # 48930 Rev 1.12, die auf der AMD Embedded Developers Support Webseite verfügbar sind

Wie bereits erwähnt, erwarten Systementwickler neben der fortwährenden Entwicklung immer leistungsstärkerer Prozessoren auch eine höhere Energieeffizienz, damit sie die notwendige Flexibilität erhalten, um selbst die anspruchsvollsten Applikationen in kleinstmöglichen Formfaktoren realisieren zu können. Es hat sich viel getan, seit der Zeit, in der CPUs gerade mal eine Überschreitung der Kerntemperatur erfassen konnten, um dann den Systemtakt zu reduzieren oder andere drastischere Maßnahmen einzuleiten, um Schäden am Prozessor oder dem System zu verhindern. Die AMD R-Series Plattform ist auf maximale Energieeffizienz ausgelegt und ermöglicht System- und Softwareentwicklern eine beispiellose Kontrolle über das dynamische Verhalten des Prozessors, um jederzeit eine optimale Balance zwischen Performance und Leistungsaufnahme in Abhängigkeit der Temperaturbedingungen und den ausgeführten Applikationen zu erzielen. Die heterogene Architektur der AMD R-Series APU, die zwei oder mehrere High-Performance x86er-Prozessorkerne (CPUs) mit einer hochgradig parallelen GPU auf einem einzelnen Chip-Die integriert, bietet eine effizientere Verarbeitung sowohl von seriellen als auch hochgradig parallelen Grafik-, Video- und rechenintensiven Workloads. Offene Programmierstandards wie OpenCL sowie die Unterstützung von DirectX 11 (einschließlich DirectCompute) ermöglichen es Softwareentwicklern, ein Maximum an Performance aus dem System zu ziehen, und machen es einfacher, den Code zu partitionieren, um ihn auf dem jeweils energieeffizientesten Kern im System zu betreiben. Zudem wurde das Powermanagement in jeden Aspekt der AMD R-Series Plattform integriert – einschließlich APU und Controller Hub und sowohl auf System- als auch auf Core-Level – und ist einfach über ACPI-Mechanismen steuerbar, was System- und Softwareentwicklern eine extrem granulare Kontrolle über Leistungs- und Energie-Optionen der verschiedenen Kerne und Schnittstellen ermöglicht.

Das zentrale Element der Power Management Architektur der AMD R-Series Plattform ist ein zentralisierter, hochprogrammierbarer Application Power Management (APM) Controller. Dieser Controller nutzt den sogenannten Bidirectional APM (BAPM) Algorithmus, der es dem Betriebssystem erlaubt, die Temperatur der APU innerhalb vordefinierter Grenzwerte zu halten, indem es die Power-Limits jeder einzelnen Recheneinheit einschließlich der GPU steuern kann. Jeder größere Block innerhalb von APU und Controller Hub arbeitet basierend auf programmierbaren Performance- und Power–States, die auf

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dynamische Power-Management-Funktionen zurückgreifen, wie Clock Ramping und Power Gating. Jeder größere Block meldet seinen Status an den zentralen APM Controller. Über diese Architektur können Betriebssystem und Applikationen sicherstellen, dass die benötigte Rechenleistung erreicht wird und gleichzeitig die Gesamtenergieaufnahme minimieren, indem alle nicht benötigten Blöcke in einen Idle-Status versetzt werden und aktive Kerne bei erhöhtem Performance-Bedarf mit höheren Frequenzen und Spannungen betrieben werden. So kann beispielsweise auf einer AMD R-464L APU für grafikintensive oder datenparallele Applikationen die Leistungszuweisung auf die GPU konzentriert werden, um eine um 38% beschleunigte Grafikverarbeitung unter Einhaltung der definierten Power- Limits zu erreichen. Für CPU-intensive Applikationen kann die Leistungszuweisung auf die CPU konzentriert werden, um einen 39%igen Zuwachs bei der Prozessorgeschwindigkeit zu erzielen. Weitere Komponenten der Plattform integrieren ebenfalls innovative Energiespartechniken wie: ▲ Power-Management für alle wichtigen I/Os ermöglicht beispielsweise ungenutzte oder inaktive PCIe-Lanes individuell abzuschalten und die Breite (Anzahl der Lanes) bestimmter Links dynamisch anzupassen, wodurch noch mehr Energie gespart werden kann. ▲ CPU Power-Gating inklusive Core C6 (CC6) ermöglicht es, individuelle Recheneinheiten runterzufahren und Cores bei einem Stopp des Betriebssystems abzuschalten. ▲ Die dynamische DRAM Geschwindigkeit reduziert den Stromverbrauch bei geringer Bandbreitenanforderung. ▲ Für Applikationen, die leistungsstarke Multimedia-Fähigkeiten benötigen, stehen eine Reihe von Energiespar-Funktionen zur Verfügung. Diese umfassen eine Video Compression Engine, die einen dedizierten Hardware Video Encoder bereitstellt, um Videos schnell und effizient zu encodieren. Die Secure Asset Management Unit ermöglicht die GPU-unterstützte Ver- und Entschlüsselung von Inhalten. Und Verbesserungen im Unified Video Decoder erweitern die Fähigkeiten der AMD R-Series Plattform um die Dual-HD-Video-Dekodierung. Jede dieser Funktionen trägt dazu bei, die CPU-Auslastung für Videos zu minimieren und die Energieaufnahme der APU zu reduzieren.

3.2 Betrachtung des Thermal-Designs

Will man herausfinden, ob ein Prozessor für das Design-In auf einem bestimmten Formfaktor geeignet ist, ist folgende Erwägung wichtig bzw. oft sogar die wichtigste: Wie viel Zeit und Aufwand (und Kosten) müssen in die Entwicklung einer passenden Kühllösung investiert werden, um alle wichtigen Komponenten unterhalb ihrer maximal spezifizierten Betriebstemperatur zu betreiben. Weil dabei so viele Faktoren abgewogen und deren Auswirkungen auf den Rest des Systems in Erwägung gezogen werden müssen, sollte diese Entscheidung sehr früh im Entwicklungsprozess getroffen werden. Die Entwicklung der kosten- und temperatureffizientesten Lösung benötigt häufig eine spezielle Expertise und der Rückgriff auf Modellierungs-, Simulations- und Analysewerkzeuge wird immer mehr zu Regel.

Generell ist die Frage, ob eine bestimmte CPU in einem gegebenen System ausreichend gekühlt werden kann, nicht einfach mit Ja oder Nein zu beantworten. Es gibt üblicherweise verschiedene Grade der Komplexität, Zeit und Kosten, die mit den verschiedene Technologien einhergehen und die abhängig von der Gesamtmenge der abzuführenden Wärme sind, so dass Entwickler alle Systemanforderungen gegen den Kosten- und Zeitdruck bei der Markteinführung abwägen müssen, um die ideale Lösung zu finden.

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Die verschiedenen Kühllösungen, die in Embedded Systemen genutzt werden, folgen drei Konzepten zur Wärmeabfuhr: ▲ Konvektion: Wärmetransfer durch die Durchmischung von Fluiden (Flüssigkeiten oder Gase). (Passive) Kühllösungen, die auf natürliche Konvektion setzen, sind üblicherweise die einfachsten, da sie die natürliche Luftbewegung ausnutzen und durch eine Entlüftung des Gehäuses realisiert werden können. Forcierte Konvektionslösungen nutzen einen oder mehrere Lüfter, um den Luftstrom zu steigern. ▲ Konduktion: Wärmetransfer zwischen Molekülen. Konduktionskühlung wird üblicherweise durch eine mechanische Verbindung zwischen den Komponenten und dem Chassis erzielt, entweder direkt oder indirekt über einen Heatspreader. ▲ Strahlung: Wärmeabfuhr durch elektromagnetische Wellen. Strahlung ist zwar immer verfügbar aber nur ein signifikanter Faktor, wenn die Energieaufnahme extrem gering ausfällt.

Auch wenn eine einzelne Kühlmethode ausreichen kann, ist es oft notwendig, verschiedene Methoden zu kombinieren, um den besten Kompromiss zwischen Effizienz und Kosten zu erzielen. Die Entwicklung einer Kühllösung muss dann mehrere Faktoren in Erwägung ziehen: ▲ Die spezifischen Applikationen, die ausgeführt werden sollen und wie diese die maximale Energieaufnahme des Prozessors, der Grafikeinheit und anderer wichtiger Komponenten des Systems beeinflussen. ▲ Die Möglichkeiten zur Energieverwaltung der wichtigsten Systemkomponenten – können alle Power-Management-Optionen ausgenutzt und gleichzeitig die erforderliche Performance erreicht werden, um alle benötigten Applikationen zu betreiben. ▲ Kostenlimits. ▲ Ist ein Lüfter in allen Betriebsbedingungen erlaubt. ▲ Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Umgebungstemperaturen und Belastungen des Systems durch Schocks und Vibrationen. ▲ Die Größe des zu kühlenden Boards oder Chassis. ▲ Die maximale Betriebstemperatur der CPU (Tdie max) und anderer wichtiger Komponenten. Embedded Prozessoren wie die AMD R-Series APU sind häufig für eine höhere Tdie max ausgelegt als vergleichbare kommerzielle Produkte. Die Tdie max der AMD R-Series APUs beträgt 100°C.

Und neben neuen Verbesserungen in Technologien und Materialqualität, die ein breiteres Angebot an noch effizienteren Kühllösungen bieten, können Entwickler auch noch zusätzliche Maßnahmen zur Effizienzmaximierung ihrer Kühllösungen einleiten: ▲ Die Verwendung von Materialien mit höchstmöglicher Wärmeleitung wann immer möglich, wie z.B. Kupfer anstatt Aluminium. ▲ Geschickte Komponentenanordnung, so dass sie einen maximalen Luftstrom in Hinblick auf die Anordnung der Gehäuselüfter ermöglichen und dass der Luftstrom nicht zuerst über die stärksten Wärmequellen geführt wird. Auch die Montage aller Komponenten auf derselben Seite des Trägerboards trägt dazu bei, dass die Abwärme mittels Heatspreader so effektiv wie möglich an das Gehäuse abgeführt werden kann. ▲ Verwendung einer Wärmeleitpaste, wenn Kühlkörper auf Komponenten aufgebracht werden, um die Wärmeübertragung zu maximieren. ▲ Verwendung eines speziellen Kühlkörpers für aktiv geführte oder nicht geführte Luftkühlung des Systems. Kühlkörper für einen geführten Luftstrom unterscheiden sich in Form und Lamellendesign von denen für eine natürliche Konvektion. ▲ Muss ein Lüfter eingesetzt werden, so sollte einer mit einer niedrigeren Drehzahl gewählt werden, der leiser und zuverlässiger arbeitet.

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4. Die AMD R-Series APUs auf SFF Boards nutzen Die kleinstmögliche Baugröße bei Erfüllung der Leistungs- und I/O Anforderungen von Embedded Applikationen hat historisch gesehen langwierige und teure Custom-Designs erfordert. In den frühen Tagen der PC-Technologie führte dies zu großen, sperrigen Designs mit konventionellen PC Card-Egde Konnektoren und einer Verkabelung, die weder besonders robust noch wärmeeffizient waren. In den letzten Jahren wurden eine Vielzahl von standardisierten kleinen Formfaktoren und Technologien für die I/O-Anbindung entwickelt, die Entwicklern helfen, mehr I/Os in extrem kleine Systeme zu integrieren – und dies bei gleichzeitiger Verbesserung der Modularität, Interoperabilität, Skalierbarkeit und Zuverlässigkeit. Diese Formfaktoren und Verbindungstechnologien umfassen das gesamte Spektrum an Formfaktoren und Technologien – von sich ergänzenden über unabhängige bis hin zu konkurrierenden. Eine maßgebliche Zielsetzung bei der Entwicklung der AMD R-Series Plattform bestand darin, ein neues Maß an Performance und Energieeffizienz auf die größtmögliche Anzahl dieser neuen Small Form Factor Standards zu bringen. Zudem unterstützt die AMD R-Series Plattform die überwiegende Mehrzahl der I/Os dieser Standards bei minimalem Einsatz externer Schaltkreise. Damit beschleunigt sie die Design-Zyklen und maximiert gleichzeitig die I/O-Optionen, die Entwickler und ihre Kunden auswählen können.

4.1 COM Express® und seine Varianten

In den 90er Jahren verbreitete sich das Computer-on-Module (COM)-Konzept über die gesamte Embedded Industrie. COMs kombinieren ein hoch-integriertes CPU-Modul mit einem applikationsspezifischen Carrierboard für die I/Os und eliminierten damit den größten Teil der Komplexität und Aufwendungen für ein full-custom Boardsystem, und das mit einem signifikant kleineren Formfaktor als traditionelle PC-basierte Systeme. Erste COMs hatten jedoch einige Nachteile: Sie waren nicht standardisiert, was die Anzahl der erhältlichen Module, die zueinander kompatibel waren, limitierte, und sie unterstützten nicht immer die neueste und beste I/O-Technologie.

Die COM Express® Spezifikation, die im Jahr 2005 von der PCI Industrial Computer Manufacturer Group (PICMG) ratifiziert wurde, wurde entwickelt, um das COM-Konzept zu standardisieren und die Mängel der damals existierenden COM-Technologie zu beheben. Ein COM Express Modul integriert in der Regel die CPU und Speicher, die üblichen PC/AT-I/Os sowie USB, Audio, Grafik und Ethernet. Es wird auf ein Carrierboard aufgesteckt, das die applikationsspezifischen I/Os ausführt. Die I/O-Signale des Carrierboards werden über zwei flach bauende, high-density Steckverbinder auf der Unterseite des PCBs ausgeführt. Entwickler können aus unterschiedlichen standardisierten Pinout-Typen wählen, je nachdem welche I/Os ihr Embedded System benötigt.

Mit der bedarfsgerechten Definition neuer Pinouts bietet COM Express® dabei einen nahtlosen Übergang von Legacy-Bus-Technologien auf neue Interfaces. Die Standardisierung der Interfaces, der Pinouts sowie Steckverbindergröße und -platzierung sichert die Kompatibilität zwischen unterschiedlichen Formfaktoren. Aktuell definiert die COM Express®-Spezifikation drei Modulgrößen: ▲ Basic: 95 x 125 mm ▲ Extended: 110 x 155 mm ▲ Compact: 95 x 95 mm

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Der “compact” Formfaktor ist der Neueste und wurde im Zuge der Revision 2.0 der COM Express® Spezifikation im August 2010 eingeführt. Die Revision 2.0 erfolgte, um den neuen Funktionalitäten und Möglichkeiten neuester Prozessorfamilien, wie beispielsweise der AMD R-Series Plattform, Rechnung zu tragen, um kleinere COM Express Formfaktoren zu ermöglichen (insbesondere für den bestehenden Formfaktor „basic“ mit dem verbreiteten Typ 2 Pin-out) und um neue Pinout Typen auf den bestehenden COM Express Konnektoren abzubilden und damit einen Migrationspfad auf neueste I/O-Technologien zu bieten.

Die nanoETXexpress Industrial Group hat sogar ein noch kleineres “mini” Modul entwickelt und im Januar 2011 vorgestellt. Vormals als „nanoETXexpress“ 2.0 Spezifikation bekannt, misst das Modul nur 84 mm x 55 mm und ist voll kompatibel zu COM Express Rev. 2.0 mit Pinout Typ 1 und 10.

4.1.1 Umsetzung mit der AMD R-Series APU

Derzeit sind sieben verschiedene Pin-outs in der COM Express Spezifikation Rev. 2.0 definiert. Die zwei neuen Pinouts der Spezifikation, die unter www.picmg.org erhältlich ist, sind Typ 6 und Typ 10: ▲ Typ 6: Zwei Konnektoren (insgesamt 440 Pins), abgeleitet aus dem Typ 2, erweitert dieses Pinout die Grafik- und Displayoptionen, indem es den Legacy-PCI-Bus durch Digital Display Interfaces (DDI) und zusätzliche PCI-Express Lanes ersetzt. Damit unterstützt es unter anderem 24x PCI-Express, PEG, DDI (für DisplayPort, HMDI, DVI und SDVO), 4x SATA, 1x LAN, zwei serielle COM Ports und USB 3.0. ▲ Typ 10: Mit einem Konnektor (220 Pins), der aus Typ 1 abgeleitet und dazu kompatibel ist, reduziert dieses Pinout die SATA-Kanäle auf zwei und reserviert diese Pins für neue Technologien wie zum Beispiel USB 3.0. Die I/O-Unterstützung beinhaltet unter anderem vier PCI-Express Lanes, 2x SATA, 1x LAN, single channel LVDS, DDI und zwei serielle COM Ports.

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Ein Beispiel für den Support der AMD R-Series Platform zeigt Abbildung 3:

COM.0 Rev. 2 220-pin A/B

DP to LVDS / eDP LVDS COM.0 Rev. 2 220-pin C/D

Optional DP Mux 338 =1 Digital Display Interfaces 1-3 338 338! 6?D g'%2^aTb DDR3 SO-DIMM X8 APCIePU option = Lanes 16-23 ?28T PCI Express g' DDR3 SO-DIMM Lanes 16-31 g % 0<3ABTaXTb X16 APU option = PCIe Lanes 16-31 0?D USB 3.0 x4 PCI Express ?28T Lanes 0-3 g# D<8g#

VGA UMI x4 Clocks SB-TSI PCI Express Lanes 4-5 3?c^ E60

LAN 1Gb ?28T Eth g# 0<3 Express Card DB1 " 0& < g# 2^]ca^[[Ta SATA 1-4 7dQ HD Audio

USB 2.0 1-8

LPC / GPIO SPI / SDIO SPI Pwr Mgmnt BIOS Fan / Thermal ROM

Abbildung 3: Die Anbindung der AMD Embedded R-Series Platform an den COM.0 Rev. 2.0 Pinout Typ 6 Konnektor

4.2 Das stapelbare SUMIT™ Erweiterungsinterface

Um Trade-off Kompromisse bei den I/Os zu mildern und auch in Hinblick auf neue, leistungsstärkere, hoch-integrierte und I/O-reiche Prozessor-Lösungen, entwickelte die Stackables Working Group der SFF-SIG in 2008 eine Legacy freundliche Konnektor-Technologie für Small Form Factor Systeme: SUMIT (Stackable Unified Module Interconnect Technology). Da die SUMIT-Technologie Formfaktor- unabhängig ist, kann sie auf jedem standardisierten SBC, COM oder Custom Board-Design eingesetzt werden, um auf diese Weise neue serielle Hochgeschwindigkeits-Technologien in Legacy-Systeme einzubinden. Dies bei gleichzeitiger Sicherung der Investitionen von OEMs in I/O-, Verkabelungs- und Gehäusedesign. SUMIT erleichtert das vertikale Stapeln von SBCs bzw. Prozessormodulen und I/O-Boards unterschiedlicher Größen und Technologien für eine extrem modulare Lösung, die unterschiedlichste Anforderungen erfüllt. SUMIT verbreitet sich zunehmend schneller und kommt auf zahlreichen Custom- und Standard SFF SBCs zum Einsatz, wie beispielsweise EPIC, EBX, ISM und Pico-ITXe.

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4.2.1 SUMIT Signals

SUMIT definiert zwei 52-polige, high-speed-Konnektoren, die sowohl aktuelle wie auch kommende Datenraten von PCI-Express und USB übertragen können als auch zusätzliche Interfaces mit mittlerer Geschwindigkeit für I/O-Erweiterungen. Jeder Konnektor misst nur 22,35 x 8,13 mm (0,88 x 0,32”) mit einem Pitch von 0,634 mm. Die geringe Größe und hohe Pin-Dichte sind die Basis für eine extrem kompakte, I/O-orientierte Multi-Board-Lösung, die unabhängig von Prozessor und Chipsatz ist.

SUMIT unterstützt die folgenden I/O-Technologien: SUMIT Konnektor A SUMIT Konnektor B ● Ein PCI-Express x1 Link ● Ein PCI-Express x1 Link

● Vier USB 2.0 Kanäle ● Ein PCI-Express x4 Link der auch zu vier x1 Lanes konfiguriert werden kann

● Low Pin Count (LPC) Bus mit SERIRQ

● Express Card Detection inklusive Request und Present Signalisierung

● Zwei SPI / uWire Kanäle

● System Management Bus (SMbus/ I²C)

● ACPI Wakeup

In Abhängigkeit der I/O-Anforderungen und Kostenlimitierung des Systems können die Konnektoren einzeln oder in Kombination eingesetzt werden. Durch die Verwendung von zwei kleineren Konnektoren anstatt eines einzelnen und größeren bietet SUMIT höchste Flexibilität und ermöglicht es, auch I/ O-Boards mit nur einem Konnektor auf Prozessor- oder I/O-Boards mit zwei Konnektoren aufzustecken.

4.2.2 Legacy Support

Die SUMIT-Technologie schützt die Investitionen von OEMs, indem sie existierende Applikationen mit neuen Bus-Technologien ausstattet, und macht sogar ein komplettes Re-Design des Systems für viele Legacy Applikationen unnötig. Legacy I/Os, insbesondere ISA-Bus basierte I/Os, finden noch eine breite Anwendung im Bereich der Embedded Systeme, insbesondere in Applikationen, in denen nicht alle I/O die hohe Geschwindigkeit serieller Busse benötigen oder in langlebigen Applikationen, in denen die Kosten für ein Re-Design nicht erforderlich oder gerechtfertigt sind. SUMIT unterstützt diese Applikationen auf zwei Arten:

1. Indem es einen LPC Bus und SERIRQ (nötig für ISA kompatible Interrupts) auf Konnektor A bereitstellt. Gemeinsam ermöglichen diese Signale den Einsatz von Komponenten wie LPC-zu-ISA Bridges, LPC UARTs oder Super I/Os, um Legacy-Devices anzubinden. 2. Indem es die SUMIT-ISM™ genannte Formfaktor-Spezifikation definiert, die beide SUMIT A/ B-Konnektoren zusammen mit entweder einem PC/104 (ISA)- oder PCI-104 (PCI)-Konnektor auf

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einem 90 x 96 mm Industriestandard-Formfaktor integriert. SUMIT-ISM™ Boards können als CPU (SBC)- oder I/O-Modul ausgeführt werden. Die Platzierung und Nutzung der Legacy-Konnektoren sowie der I/O-Bereiche und Befestigungsbohrungen stellen sicher, dass sie kompatibel und nutzbar sind mit der weltweit im Einsatz befindlichen breiten Basis von PC/104 und PCI/104 Modulen und Gehäusen. SUMIT-ISM Module mit dem 104-poligen PC/104 Konnektor heißen „Legacy Typ 1“ und SUMIT-ISM Module mit einem 120-poligen PCI/104 Konnektor werden „Legacy Typ 2“ Modul genannt.

4.2.3 Umsetzung mit der AMD R-Series APU

An SUMIT werden die Vorzüge der AMD R-Series deutlich, was das umfassend unterstützte Set an seriellen low, medium und high-speed Interfaces inklusive LPC Bus und SERIRQ für Legacy Applikationen betrifft. Zu den unterstützten Konfigurationen zählen eine reine A-Konnektor- Implementierung mit hauptsächlich Legacy-Interfaces, eine reine B-Konnektor-Implementierung mit mehreren bandbreitenstarken PCI-Express Lanes und einer A/B-Implementierung mit der vollen Bandbreite der SUMIT I/Os.

SUMIT B 52-pin 338 =1 338 PCI Express 6?D Link B 338! g'%2^aTb DDR3 SO-DIMM Lane 0 PCI Express ?28T 0<3ABTaXTb DDR3 SO-DIMM Link C g' Lane 0-3 0?D (1x4 or 4x1) ?28T g# D<8g# SUMIT-ISM Legacy Type 1

SUMIT A UMI x4 ISA

52-pin Clocks

SB-TSI 104-pin PC/104 bus PCI Express Link A ?28T g# PCI - ISA Lane 0 Bridge 8 / 16-bit 0<3 DB1 USB 2.0 x4 ! 0& <0&$ g 2^]ca^[[Ta SUMIT-ISM Legacy Type 2 SMBus / I2C 8!2 7dQ PCI 120-pin Express Card Request, Present B38> Detection PCI-104 Includes Serial IRQ ;?2 bus LPC ACPI Wakeup 6?8> ?28 32-bit, 33Mhz g" Up to 4 Bus SPI/υWire x2 B?8 Masters SPI BIOS ROM

Abbildung 4: Die AMD Embedded R-Series Platform bindet SUMIT in einer AB-Konfiguration an. Beachtenswert: Die Anbindung eines PC/104- oder PCI-104-Konnektors auf einem SUMIT-ISM Modul kann einfach über eine LPC-zu-ISA Bridge (wie hier gezeigt) erfolgen oder über eine PCI-zu-ISA Bridge auf dem CPU-Baseboard oder dem I/O-Modul.

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4.3 COMIT™

COMIT steht für Computer–On-Module Interconnect Technology und ist das neueste modulare Hochgeschwindigkeits-Konnektor-System, spezifiziert von der SFF-SIG. Eingeführt wurde COMIT auf der Embedded Systems Conference in San Jose, Kalifornien im April 2009 und gilt als COM- Spezifikation der dritten Generation. COMIT wurde entwickelt, um COM-basierten SFF-Embedded- Systemen eine dicht gepackte, robuste Steckerlösung mit einer optimalen Balance aus neuen und Legacy-Interfaces zu bieten. COMIT führt die Philosophie von SUMIT fort: Fokussierung der Design- Anforderungen auf Systemlevel, unabhängig vom PCB-Formfaktor. Darüber hinaus bietet es aber noch mehr I/Os, inklusive Audio, Video und Ethernet, in einem kleineren Package und in einer Kombination, die der größtmöglichen Anzahl von SFF-Embedded-Applikationen entspricht. Der COMIT-Konnektor wurde für noch höhere Bandbreiten der seriellen Interfaces ausgelegt, als sie heute implementiert sind, und weist für zukünftige Revisionen dieser Interfaces vakante Pins aus. COMIT vereinfacht auch das Design der Stromversorgung über Standard-Stromschienen und zahlreiche Masse-Pins mit Standard- ACPI-Energieverwaltung.

Obwohl der COMIT Konnektor auf nahezu jedem standardisierten SFF-Board eingesetzt werden kann, hat die SFF-SIG zwei spezifische Module definiert: Die 62 x 75 mm kleinen SFF-COM™ Module sind speziell als extrem kleine CPU-Module für den Einsatz in Standard-Embedded-SBCs wie beispielsweise EBX, EPIC, ISM und PC/104 gedacht. COMIT-ISM™ ist ein 90 x 96 mm großes Board und unterstützt etwas größere, leistungsfähigere Prozessor/Chipsatz-Kombinationen, die ggf. nicht auf SFF-COM große Module oder ISM-große SBCs passen.

4.3.1 COMIT Signale

COMIT basiert auf einem 240 poligen high-density Konnektor. Die unterstützten Interfaces, Pin- Belegung und der Stecker selbst wurden für optimierte Kosten-pro-Pin-Verhältnisse, Pin-Dichte, Konnektor-Bandbreite und Platzbedarf des Steckers entwickelt. COMIT unterstützt sowohl serielle Hochgeschwindigkeits-I/Os wie auch eine Auswahl von Legacy-I/Os, von denen man annimmt, sie am häufigsten in aktuellen Embedded Applikationen anzutreffen. Zu den Interfaces zählen: ▲ Drei PCI-Express x1 Links ▲ Ein PCI-Express x4 Link (der auch als vier x1 Links ausgelegt sein kann) ▲ Sechs USB 2.0 Kanäle ▲ VGA, Digital Video, und zwei 18/24-bit LVDS Video Interfaces ▲ Zwei SATA Kanäle ▲ Einmal 10/100 oder Gigabit Ethernet ▲ Ein 8-bit SDIO ▲ HD Audio ▲ LPC Bus ▲ SPI/uWire, SMBus/I2C Bus ▲ Power und Masse ▲ Systemuhr und Kontrollsignalisierung

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4.3.2 Umsetzung mit der AMD R-Series APU

Die AMD R-Series Plattform unterstützt COMIT Interfaces bei nur minimalem Bedarf an externer Interface-Logik. Auch gibt es unterschiedliche Controller Hub Optionen für den Support dieser Spezifikation, da bestimmte Interfaces sich kontinuierlich weiterentwickeln, wie beispielsweise USB 2.0 auf USB 3.0 und SATA 300 auf SATA 600.

TM COMIT 338 240-pin =1 SEARAYTM 338 338! 6?D g'%2^aTb DDR3 SO-DIMM LVDS DP to Dual Channel LVDS ?28T DDR3 SO-DIMM VGA g' g % 0<3ABTaXTb PCI Express 0?D (3 x1 Links) PCI Express ?28T D<8g# (1 x4 or 4 x1) g#

UMI x4 Clocks 1Gb SB-TSI GB_LAN Eth 3?c^ E60

USB 2.0 x6 ?28T g# 0<3 HDA / AC’97 0& < DB1 ! 2^]ca^[[Ta SATA x2 g # 7dQ 730dSX^ SDIO / SD Card B0C0g%

LPC / SPI / uWire B38>B32PaS I2C / SMBus System / Pwr Ctl 6?8>?FA50= Serial (TXD, RXD) ;?28!2B?8

SPI BIOS ROM

Abbildung 5: Die Anbindung der AMD Embedded R-Series Plattform an COMIT.

4.4 PC/104 Standards

In den frühen Tagen der Embedded-System-Designs suchten viele Unternehmen nach Möglichkeiten, die Vorteile der PC-Architektur in Embedded Anwendungen zu nutzen. Der Standard-PC-Bus-Form- Faktor (12,4 "x 4,8") und die zugehörigen Kartensteckplätze und Backplanes wurden jedoch schnell zu sperrig (und zu teuer), um den Anforderungen an neuere Systeme mit kleineren Formfaktor gerecht zu werden.

Während der späten 80er und frühen 90er Jahre gab es neben vollständig kundenspezifischen Design- Lösungen nur wenige praktikable Wege zur Einbettung der PC-Architektur in Platz- und Verbrauchs-

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sensible Anwendungen. Um jedoch wettbewerbsfähig zu bleiben, waren die Unternehmen ständig auf der Suche nach neuen Möglichkeiten, die Entwicklungskosten zu reduzieren und die Design-Zyklen zu verkürzen. Sie orientierten sich deshalb weg von Full-Custom-Designs und setzten wo immer es möglich war auf die wachsende Verfügbarkeit modularer Standard-Lösungen „von der Stange“.

Daraus entstand ein Bedarf nach zunehmend kompakten, aber standardisierten Implementierungen der PC-Architektur, die die strengen Platz- und Verbrauchsanforderungen von Embedded-Control- Anwendungen erfüllen. Doch diese Ziele mussten erfüllt werden, ohne dabei eine vollständige Hardware- und Software-Kompatibilität zu dem beliebten PC-Bus-Standard zu opfern.

Im Jahr 1992 wurde das PC/104-Konsortium als Reaktion auf diesen Bedarf geschaffen. Es bietet seitdem die volle Architektur-, Hardware- und Software-Kompatibilität mit den PC-Bus auf ultra- kompakten (90x96mm), stapelbaren Modulen an. Seit über zwei Jahrzehnten hat das PC/104 Konsortiums zudem immer wieder parallel zur Weiterentwicklung der PC-Technik neue Standards entwickelt, wobei auch weiterhin Legacy-Standards wie ISA und PCI unterstützt werden.

4.4.1 PCI/104-Express™ und PCIe/104

Die PCI/104-Express Spezifikation spezifiziert einen Standard, um den Hochgeschwindigkeitsbus PCI- Express® in Embedded-Anwendungen einzusetzen. Er wurde von der PC/104 Konsortiums entwickelt und per Mitgliederabstimmung im März 2008 verabschiedet. Die Revision 2 wurde im Februar 2011 ratifiziert und fügt eine zweite Anschlussoption (nachfolgend "Typ 2" genannt) hinzu, die Schnittstellen für USB 3.0, SATA, LPC und Echtzeituhr-Batterie unterstützt. Das PC/104-Konsortium wählte den PCI-Express® Bus wegen seiner breiten Akzeptanz im PC-Markt, der Performance und Skalierbarkeit sowie der wachsenden Verfügbarkeit entsprechender Schaltkreise weltweit. Er bietet eine neue, höchst leistungsfähige physikalische Schnittstelle unter Beibehaltung der Software-Kompatibilität mit bestehender PCI-Infrastruktur.

Die Einbeziehung des PCI Express® Busses in die in der Branche bewährte PC/104 Architektur bringt viele Vorteile für Embedded-Anwendungen: Sie bietet unter anderem einen schnellen Datentransfer, niedrige Kosten durch den einzigartigen, selbststapelnden Bus von PC/104, eine hohe Zuverlässigkeit durch die dem PC/104-Standard inhärente Robustheit und eine langfristige Nachhaltigkeit.

Das Hauptziel bei der Definition der Ergänzung des PCI-Express Busses zu PC/104 war, die Attribute, die PC/104 in Embedded-Anwendungen so erfolgreich gemacht haben, beizubehalten – einschließlich der Aufrechterhaltung der ursprünglichen Größe von 90mm x 96mm, der vertikalen Selbst-Stapelung, der robusten Steckverbinder, der bewähren Befestigungslöcher an allen vier Ecken sowie die voller PC- Kompatibilität.

Darüber hinaus war es wichtig, dass die stapelbare Form von PCI-Express auch die Abwärtskompatibilität mit aktuellen Spezifikationen und Formfaktoren des PC/104-Konsortiums besitzt. Das Design muss ein Stecken von oben oder unten automatisch erkennen und ein automatisches Link- Shifting bieten, um vereinfachte, universelle Add-On-Modul-Designs zu ermöglichen.

PCI/104-Express ist die vierte Generation der stapelbaren Bus-Technologien für den Industrie Formfaktor Standard PC/104. Ein stapelbares PCI/104-Express System kann implementiert werden,

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beginnend mit einem eigenständigen 90x96mm Modul oder mit einem größeren PC/104-Standard SBC Formfaktor, wie EPIC oder EBX. In der Umsetzung mit PC/104-Express heißen diese Formfaktoren dann EPIC-Express und EBX-Express.

PCIe/104 ist eine neue Variante von PCI/104-Express (und damit jetzt die fünfte PC/104-Modul- Spezifikation), die lediglich einen PCIe-Anschluss bietet und die für kompaktere Systeme entwickelt wurde, die keine herkömmliche PCI-Unterstützung mehr brauchen. Da jedoch die PCI-Express- Technologie auf PCI basiert und PCIe-zu-PCI Bridges einfach aufgebaut und allgemein verfügbar sind, ist es ziemlich einfach, einen Stack-up zu entwerfen, der auf Basis eines PCIe/104-Moduls sowohl PCI- Express als auch PCI unterstützt. Abbildung 6 zeigt, wie ein PCI/104-Express CPU-basiertes Stack- up und ein PCIe/104 CPU-basiertes Stack-up sowohl PCI-Express als auch PCI-Erweiterungskarten unterstützen.

PCIe Device Memory Chipset Processor PCIe/104 Peripheral Module PCIe/104 CPU Module PCIe PCIe

PCIe Device PCIe Device PCIe/104 Peripheral Module PCIe/104 Peripheral Module PCIe PCIe

Memory Chipset Processor PCIe to PCI Bridge PCI/104-Express CPU Module PCIe/104 to PCI-104 Bridge Module PCIe PCIe PCI PCI

PCI Device PCI Device PCI-104 Peripheral Module PCI-104 Peripheral Module

PCI PCI

PCI Device PCI Device PCI-104 Peripheral Module PCI-104 Peripheral Module

PCI PCI

PCI/104-Express CPU with PCIe/104 CPU PCIe/104 stack up and PCI stack down with PCIe/104 to PCI Bridge

Abbildung 6: Das PCI/104-Express-Design-Verfahren bietet einen über die Formfaktoren 104, EPIC und EBX des PC/104 Konsortiums hinweg konsistenten und bedarfsgerecht austauschbaren Pfad für stapelbare PC-Architekturen.

4.4.2 Umsetzung mit AMD R-Series APU

Es gibt zwei komplementäre Versionen von PCI/104-Express Implementierungen, die umgesetzt werden können. Sie werden Type 1 und Type 2 genannt. Hauptunterschied ist, dass Type 2 den x16 PCI- Express Link des Type 1 durch SATA, USB 3.0, LPC und Echtzeituhr-Batterie ersetzt, wie in Tabelle 2 zu sehen ist.

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Funktion PCIe Konnektor Type 1 PCIe Konnektor Type 2 x1 PCI Express Link 4 4 USB 2.0 2 2 ATX Spannung und Steuerung Ja Ja 3.3V, 5V, 12V Spannung Ja Ja SMBus 1 1 X16 PCI-Express Link (oder zwei 1 - x8 Links, zwei x4 Links, oder zwei SDVO) X4 PCI-Express Link - 2 USB 3.0 - 2 SATA - 2 LPC Bus - 1 RTC Akku - 1 Tabelle 2: PCI/104-Express Type 1 und Type 2 Schnittstellenunterstützung

Die AMD Embedded R-Series Plattform passt gut zu PC/104-Express und PCIe/104 Boards, da beide PCIe Konnektor-Konfigurationen unterstützt werden, wie nachstehendes Diagramme zeigen.

338 =1 338 338! 6?D g'%2^aTb DDR3 SO-DIMM

?28T DDR3 SO-DIMM Stackable g % 0<3ABTaXTb PCIe Type 1 0?D

PCI Express ?28T D<8g# (1x16, 2x8, 2x4) g#

UMI x4 PCI Clocks PCI Express SB-TSI (4x1)

?28 ?28T g" 32-bit, 33Mhz g# Up to 4 Bus USB 2.0 x2 Masters DB1 ! g 0<3 A75 Controller Hub supports up to 3 PCI interfaces on PCI/104- Express platforms. SMBus 0& <0&$ 2^]ca^[[Ta 7dQ B<1db g!

Abbildung 7: AMD Embedded R-Series Plattform Interface auf einem PCI/104-Express Board mit einem PCIe Type 1 sowie einem PCI-Konnektor.

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338 =1 338 338! 6?D g'%2^aTb DDR3 SO-DIMM

?28T 0<3ABTaXTb DDR3 SO-DIMM Stackable g % PCIe Type 2 0?D ?28T g# D<8g#

PCI Express (4x2) UMI x4 PCI Clocks SB-TSI

PCI Express ?28T ?28 32-bit, 33Mhz (4x1) g# g" Up to 4 Bus Masters DB1 USB 2.0 x2 ! g 0<3 A75 Controller Hub supports up to 3 PCI interfaces USB 3.0 x2 DB1 0& <0&$ on PCI/104- Express platforms. " 2^]ca^[[Ta SATA x2 g# 7dQ B0C0 LPC g% RTC Battery ;?2 AC2

Abbildung 8: AMD Embedded R-Series Platform Interface auf einem PCI/104-Express Board mit einem PCIe Type 2- sowie einem PCI-Konnektor.

Zudem ist die Unterstützung des Legacy-Busses ISA weiterhin eine Anforderung innerhalb des PC/104- Ökosystems. Diese Schnittstelle wird weiterhin noch oft benutzt in Applikationen wie beispielsweise Industrie-PC und der industriellen Automation. Und auch wenn die PC/104- Formfaktoren wie PCI- 104, PCI/104-Express und PCIe/104 nicht mehr den ISA Konnektor unterstützten: ISA kann weiterhin innerhalb dieser Board-Stacks unterstützt werden, wenn man eine PCI-zu-ISA Bridge einsetzt. Die Bridge ITE Technology IT8888 kann auf AMD APU basierten Plattformen beispielsweise volle ISA-Funktionalität inklusive DDMA Support unterstützen. Mehr Informationen dazu finden Sie im englischsprachigen Dokument “Delivering Full ISA Support with the AMD Embedded G-Series APU Platform and the ITE Tech. ITE8888 PCI to ISA Bridge”, Publication ID 51762, auf der AMD Embedded Developers Webseite.

4.5 Qseven®

QSEVEN wurde 2008 ursprünglich von drei europäischen Firmen entwickelt, um das COM-Konzept auf noch kleinere, low-power Embedded Applikationen auszuweiten. QSeven-Module sind für mobile und batteriebetriebene Applikationen optimiert und repräsentieren einen extrem kompakten Single Board Computer „von der Stange“, der auf ein applikationsspezifisches Carrierboard gesteckt wird und der alle Kernkomponenten eines PCs auf einem 70 x 70 mm Formfaktor vereint. QSeven Module weisen spezifische Pinouts auf Basis eines Hochgeschwindigkeits-MXM-Konnektors aus, der eine standardisierte Pinbelegung bietet und der von mehreren Herstellern bedient wird. QSeven Module bilden dabei die funktionalen Anforderungen typischer Embedded Applikationen ab, wie

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beispielsweise Grafik, Audio, Massenspeicher, Netzwerk und mehrere USB Ports, sind aber nicht darauf beschränkt. Das Carrierboard führt die Anschlüsse aus, die für die Anbindung des Systems an die applikationsspezifische Peripherie benötigt werden. Diese Vielseitigkeit ermöglicht es dem Entwickler ein kompaktes und optimiertes Package zu entwerfen und erlaubt die Entwicklung mehrerer Systeme unter der Verwendung unterschiedlicher Prozessor- und I/O- Modul-Kombinationen. QSeven ist ohne Legacy-Schnittstellen ausgelegt und bietet nur die neuesten Hochgeschwindigkeits-I/O-Technologien auf einem extrem kompakten Formfaktor: Zu den Unterstützten Interfaces gehören: ▲ PCI Express® ▲ PCI Express™ ▲ USB 2.0 ▲ ExpressCard™ ▲ High Definition Digital Audio ▲ Serial ATA® ▲ LPC ▲ Secure Digital I/O Interface ▲ Gigabit Ethernet ▲ DisplayPort™, TMDS oder SDVO Interface ▲ LVDS Display Interface

Aktuell sind dutzende Qseven Module und Carrierboards von führenden Herstellern auf dem Markt verfügbar. Carrierboards sind in zahlreichen Formfaktoren erhältlich, inklusive der verbreiteten Standards Mini-ITX, Pico-ITX, 3.5” ESB und PCI/104-Express.

4.5.1 MXM Konnektor

Qseven Module nutzen einen 230-poligen robusten Card-Edge Konnektor der auch für PCI-Express basierte Notebook-Grafikkarten nach der MXM-Spezifikation eingesetzt wird. Daher ist dieser Konnektor- Typ auch als MXM-Konnektor bekannt. Der MXM-Konnektor ist in zwei Bauhöhen (5,5 mm und 7,8mm) für unterschiedliche Applikationsanforderungen erhältlich.

4.5.2 Umsetzung mit der AMD R-Series APU

Die AMD R-Series Plattform unterstützt die QSeven-Interfaces mit nur minimalem Bedarf an externer Interface-Logik. Die einzig wichtige Ausnahme ist der CAN-Bus, der die Kommunikation zwischen mehreren Embedded Netzwerkknoten erleichtert und der hauptsächlich in Automotive-Applikationen zum Einsatz kommt. Der Support für CAN kann jedoch einfach durch einen CAN Protokoll Controller zwischen dem SPI-Interface des AMD Controller Hubs und dem CAN Bus Dateninterface der MXM-Pins implementiert werden.

AMD Embedded Solutions 24 AMD WHITE PAPER AMD Embedded R-Series Plattform

Qseven 230 pin MXM

LVDS Dual DP to Channel LVDS 338 =1 DisplayPort / 338 HDMI (TMDS) 338! 6?D g'%2^aTb DDR3 SO-DIMM

?28T DDR3 SO-DIMM PCI Express g' (1x4, 4x1) g % 0<3ABTaXTb 0?D

?28T g# D<8g# 1Gb GB_LAN Eth UMI x4 Clocks SB-TSI

3?c^ USB 2.0 x8 E60

HDA / AC’97 ?28T g# 0<3 SATA x2 DB1 ! 0& < SDIO / SD Card g # 2^]ca^[[Ta 730dSX^ 7dQ

Express Card B0C0g% Support x2 Request, Reset B38>B32PaS CAN Bus CAN CAN 6?8>?FA50= Txcvr Cntlr ;?28!2B?8 LPC / SPI I2C / SMBus Pwr Mgmt SPI BIOS Fan / Thermal ROM

Abbildung 9: Die Anbindung der AMD Embedded R-Series Plattform an den QSeven Konnektor

5.0 Fazit Mit den ständigen Fortschritten der Embedded Systemdesigns mit immer kleineren Formfaktor- Standards tut sich eine Lücke auf, zwischen der benötigten Performance für neue und aufkommende grafikintensive und visuell immersive Applikationen einerseits und einer geringen Leistungsaufnahme andererseits, um diese Applikationen in kleinen und extrem mobilen Systemen umzusetzen. Die Verschmelzung fortschrittlicher x86er-Computingmöglichkeiten mit der parallelen Rechenleistung einer General Purpose Graphics Processing Unit (GPGPU), wie sie von der AMD Embedded R-Series APU Plattform umgesetzt wird, füllt die Lücke zwischen hoher Leistung und geringer Stromaufnahme, die Embedded Systementwickler füllen müssen, um ihre hochgesteckten Ziele zu erreichen. AMDs heterogene APU-Architektur bietet überlegene Performance-pro-Watt, beschleunigt die Softwareentwicklung dank DirectX 11-, DirectCompute- und OpenCL-Unterstützung, senkt die

AMD Embedded Solutions 25 AMD WHITE PAPER AMD Embedded R-Series Plattform

Herausforderungen beim Thermaldesign durch seine umfassenden Optimierungen und granulare Programmierbarkeit, bietet geradlinige Upgrade-Pfade mittels Pin-kompatibler APUs und Controller Hubs und bietet Entwicklern eine Vielzahl von standardisierten SFF-Plattformen, die eine effiziente Integration und umfassendem I/O-Support bieten.

6.0 Weiterführende Informationen Um mehr über AMDs APU-Architektur und die AMD R-Series Plattform– inklusive Produktspezifikationen, Referenzdesigns, Leistungsvergleiche und Applikationsinformationen – zu erfahren, besuchen Sie bitte AMDs Webseite unter http://www.amd.com/R-Series.

Besuchen Sie bitte die AMD Accelerated Parallel Processing (APP) Developer Showcase, um mehr über interessante Applikationen und Demos unserer Kunden und Technologiepartner mit der AMD Accelerated Parallel Processing Technologie zu erfahren – einschließlich Compiler, Bibliotheken und vielzählige Multimedia-Applikationen: http://developer.amd.com/sdks/AMDAPPSDK/samples/ showcase/Pages/default.aspx

Die SUMIT-, SUMIT-ISM-, COMIT- und Pico-I/O-Spezifikationen sind als kostenlose Downloads unter www.sff-sig.org, unter Verwaltung der Small Form Factor Special Interest Group (SFF-SIG) verfügbar.

Informationen zu PC/104 und Formfaktor-Spezifikationen wie PCIe/104, EBX, EBX Express, EPIC und EPIC Express sind als kostenlose Downloads auf der Webseite des PC/104-Konsortiums verfügbar unter http://www.pc104.org/.

AMD ist Mitglied dieser Organisationen und ermutigt seine Boardlieferanten-Partner, sich diesen zukunftsorientierten Interessengruppen anzuschließen.

Small Form Factor SIG 2784 Homestead Road #269 Santa Clara, CA. www.sff-sig.org Please e-mail your inquiries to [email protected].

PC/104 Consortium 16795 Lark Avenue, Suite 104 Los Gatos, CA 95032 USA Phone: 408-337-0904 Fax: 408-521-9191 www.pc104.org Please e-mail your inquiries to [email protected].

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