COM Express Type6規格に対応したシステム オン モジュール「AM120モデル210H」

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1 COM Express Type 6 Compliant System-On-Module AM120 model 210H 中川幾夫 * Ikuo Nakagawa 沼田祐志 * Yuuji Numata * ProDeS グループエンベデッドプロダクト事業部コアプロダクト開発部 PFU のシステムオンモジュールは,COM Express 規格準拠の小型 CPU モジュールである. このたび, COM Express 規格に追加された COM Express Type6 に準拠する新モデル AM120 モデル 210H を開発した. PFU's System-On-Module is a COM Express compliant small CPU module. PFU has developed a new model "AM120 model 210H", which is compliant with COM Express Type 6, the new COM Express standard. 1 まえがき システムオンモジュールは, 組込み用に開発した 1) COM Express 規格注準拠の小型 CPU モジュールであり,PFU は,COM Express 規格モジュール製品注 2) の累計出荷台数が 35 万台を超え, 国内シェア No.1 1), 参 2) の販売実績を築いている参. このたび, 高性能と低消費電力を特長とする 第 3 世代インテル 注 3) Core プロセッサ を搭載した COM Express Type6 準拠の新モデル AM120 モデル 210H ( 以降, 本製品 ) を製品ラインナップに追加した. 本稿では, 本製品の仕様を紹介した上で, 本製品に活用されている技術について解説する. 注 1)COM Expressは,PICMGが制定した次世代 COM(Computer On Module) の標準規格で PCI Express やシリアル ATA 等の新しいテクノロジーを採用したものである. 注 2)COM Express 規格準拠製品の国内シェア No.1: 株式会社富士経済 エンベデッドシステムマーケット 2009 による. 注 3) インテル, インテル Core は, 米国およびその他の国における Intel Corporation の商標である. 2 開発の狙い 注 4) COM Express は PICMG が制定したCOM (Computer On Module) の標準規格である. 制定当初の COM.0 Rev 1.0 では, コネクタ信号定義として,Type1 から Type5 までの 5 種類の Type が定義されていたが, 現在の COM.0 Rev 2.0 では, 新たに Type6 と Type10 の 2 種類が追加された. 中でも Type6 はインターフェースの高速シリアル化に対応した規格で, 従来の主流だったパラレルインターフェースである PCI バスや IDE インターフェースのサポートを廃止し, シリアルインターフェースである PCI Express ポートの増設,USB3.0 インターフェースの追加, デジタルディスプレイインターフェースの追加などを行っている. これまで PFU が開発したシステムオンモジュールは,COM Express 規格の Type2 に準拠していた. しかし,I/O の高速化に伴い PCI Express の普及が進んでいること, 画像表示デバイスのインターフェース 注 4)PICMG(PCI Industrial Computer Manufactures Group) は, 高性能テレコミュニケーションと産業コンピュータの利用のために, オープンな標準規格を開発することを目的に 450 を超える企業が参画する団体である. これまでに,CompactPCI, AdvancedTCA,COM Express などを標準規格化した実績がある. PFU Tech. Rev., 23, 2,pp (11,2012) 33

2 SPI Flash VRM SPI LPC EXPANSION PH 10/100/1000 Ethernet 図 - 1 AM120 モデル 210H 外観 (Fig.1-AM120 model 210H external view) 3 rd Generation Intel 1 Core TM Series Processor DMI Intel HM76 PCH GPIO/POWER MANAGEMENT USB3.0 4 USB2.0 4 I2C SMBus HUB SMBus High Definition Audio Serial ATA/300 2 Serial ATA/600 2 DisplayPort/HDMI/DVI 3 1 Lane(PCI Express 2.0,5.0GT/s) 7 STAC ING CONNECTOR が, 従来のアナログ VGA からデジタルインターフェースであるディスプレイポートや HDMI に移行しつつある市場の状況を踏まえ,2011 年に,COM Express 規格のType6 に準拠した製品シリーズの第 1 弾として, AM120 モデル 210G を開発した. そして 2012 年, シリーズ第 2 弾として CPU とチップセットのエンハンスを行った AM120 モデル 210H を開発し,Type6 製品のラインナップの拡充を図った. 図 -1に本製品の外観を示す, 3 特長と仕様 3.1 製品概要システムオンモジュールは,CPU, チップセット, メモリ部分を小型に凝縮したモジュールで,I/O コネクタ等を搭載したキャリアボードと組み合わせることにより, 希望する大きさと機能を持つマザーボードを実現できる. 図 -2に本製品のブロック図, 表 -1に, 本製品の仕様概要を示す. 3.2 特長 (1)COM Express 規格 Type6 に準拠本製品は従来製品と同様,COM Express 規格に準拠しており, 標準規格製品として安心して使っていただける製品である. 従来製品が COM Express 規格の Type2 に準拠していたのに対し, 本製品は Type6 に準拠したものになっていることが, 大きく異なる点である.Type6 では,Type2 で PCI バスや IDE インターフェースとして使われていたコネクタ信号を, 追加された機能である PCI Express ポート, デジタルディスプレイインターフェース,USB3.0 インターフェースとして使用している. 表 -2に Type2 と Type6 の違いについて示す. DDR3 Memory DDR Intel は, 米国およびその他の国における Intel Corporation の商標である. 図 - 2 AM120 モデル 210H ブロック図 CRT LVDS 16 Lane(PCI Express 3.0) 1 (Fig.2-AM120 model 210H block diagram) (2) 新世代インテルプラットフォームの採用本製品は, インテル第 3 世代 Core シリーズプロセッサと組込み向け HM76 チップセットを採用し, DDR3-1600( 従来製品比 1.2 倍 ),PCI Express 3.0 ( 従来製品比 1.6 倍 ),USB3.0( 従来製品比 10.7 倍 ) により, 従来製品に対し大幅な性能強化を図っている. (3) オンボードグラフィックス機能の強化本製品で採用したインテル CPU 内蔵のグラフィックスコントローラは高い性能を持ち, 特筆すべき機能として 3 画面同時出力が可能なため, 従来外付けコントローラが必要であった 3 画面同時出力をシステムオンモジュールのみで実現可能である. (4) 基本レイアウトサポートするメモリが, 従来の DDR から DDR に高速化すること, メモリコントローラが CPU に統合されたことから, 設計ルールが厳しくなっており, 従来の Type2 製品の基本レイアウトでは実現が難しいことが判った. 今後, インターフェースの高速化がさらに進むことも考慮し,Type6 製品では, 基本レイアウトの変更を決断した. 電源設計, 伝送設計, 熱設計の観点で, シミュレーションを活用した検討を行い, 将来を見越した最適な基本レイアウトを決定した. 図 -3に Type2 と Type6 の基本レイアウトを示す. (5) 開発支援システムオンモジュールを利用するには, モジュー 34

3 表 - 1 AM120 モデル 210H 仕様概要 機能 内容 商品名 AM120 モデル 210H CPU インテル Core i7-3615qe プロセッサ (Ivy Bridge) インテル Core i5-3610me プロセッサ (Ivy Bridge) 動作周波数 2.3GHz( インテルターボ ブースト テクノロジー 2.0 対応 : 最大 3.3GHz) 2.7GHz( インテルターボ ブースト テクノロジー 2.0 対応 : 最大 3.3GHz) コア数 / スレッド数 4 コア / 8 スレッド 2 コア / 4 スレッド キャッシュ L3-6MB L3-3MB チップセット メモリ モバイルインテル HM76 Express チップセット 2GB/4GB DDR Unbuffered SO-DIMM 2(Max.8GB)ECC なし 表示制御グラフィックコントローラ CPU 内蔵グラフィックコントローラ (VRAM はメインメモリ使用 ) ( インテル HD グラフィックス 4000) CRT 最大解像度及び表示色 LCD 最大解像度及び表示色 HDMI/DVI 最大解像度及び表示色 DisplayPort 最大解像度及び表示色 QXGA(2,048 1,536):1,677 万色シングルチャネル XGA(1, ):1,677 万色デュアルチャネル QXGA(2,048 1,536):1,677 万色 WUXGA(1,920 1,200):1,677 万色 WQXGA(2,560 1,600):1,677 万色 拡張インターフェース PCI Express Graphics 16 レーン (PCI Express 3.0):1 本 ( 8 レーン :2 本としても使用可能 ) PCI Express 1 レーン (PCI Express 2.0,5.0GT/s):7 本 ( 4 レーン :1 本, 1 レーン :3 本としても使用可能 ) PCI - LPC 1(Super I/O 接続可能 ) I/O インターフェース CRT(VGA) 1 LCD(LVDS) 1(LVDS LCD I/F, デュアルチャネル ) 1 DisplayPort/HDMI/DVI 3 LAN 1(1000BASE-T/100BASE-TX/10BASE-T) USB 4(USB 3.0),4(USB 2.0) IDE シリアル ATA - 2( シリアル ATA/600),2( シリアル ATA/300) オーディオ あり (Intel High Definition Audio, 外部 Audio-CODEC 必須 ) ブザー 1 SPI 1 SMBus 1 I2C 1 GPIO GPI:4,GPO:4 RAS 機能専用ソフトウェア EmbedWare/SysMon による状態表示, 異常通知機能 : CPU 温度監視,HDD 監視 (S.M.A.R.T. ステータス ),S.M.A.R.T. アトリビュートの取得, USB ストレージデバイス着脱監視, ウオッチドッグタイマ機能冷却機構ヒートシンク ( ヒートシンク搭載モデルのみ ) 供給電源 12V,5V( スタンバイ ) 及び 3.3V( バックアップ )DC 最大消費電力 91.2W 75.2W 対応 OS Windows 2 7 Professional 32bit 版 / 64bit 版 SP1 以降, Windows Embedded Standard 7 32bit 版 / 64bit 版 SP1 以降, Ubuntu LTS Desktop 32bit 版 / 64bit 版質量 115g( ヒートシンク, メモリなし ) 外形寸法 (W D) 適合規格環境対応 125mm 95mm PICMG COM Express R2.0 Basic フォームファクタ,Type6 RoHS 指令対応 1 LCD の機種によっては, ファームウェアのカスタマイズが必要になる場合がある. 2 Windows は, 米国 Microsoft Corporation の, 米国, 日本およびその他の国における登録商標または商標である. 35

4 表 - 2 Type2 と Type6 の違い Type2 製品のレイアウト 項目 Type2 Type6 本製品のサポート状況 メモリスロット 1 PCI ありなしなし IDE ありなしなし メモリスロット 2 SDVO と PEG のマルチプレクス USB3.0 SDVO,HDMI,DVI, DP のどれか あり なし なし なし あり あり なし あり あり (SDVO は非対応 ) CPU チップセット電源 Mode DP only なし メーカー Dual をサポート HDMI/DVI Dual 選択 (HDMI/DVI 使用時は, キャリアボードにレベルシフタ を搭載 ) PCIE x1 6 8 あり ( サポート数は 7) Type6 では ルールが し, のレイアウトが と Type6 製品のレイアウト TPM 検出信号 なしありなし FAN 制御信号 なしありあり ( キャリアボード上 LID 信号 ( ノート PC の LCD 開閉検出 ) の FAN コネクタ に接続 ) なし あり あり CPU チップセット電源 メモリスロット 2 メモリスロット 1 SLEEP 信号 ( ノート なしありあり PC の SLEEP ボタン ) シリアルポート (5V, なしありあり 12V トレラント ) 図 - 3 Type2 と Type6 の基本レイアウト SDIO(GPIO とマルチ なし あり なし プレクス ) ルを搭載するキャリアボードが必要である. キャリアボードはお客様が開発するものであり, スムーズなキャリアボード開発のためには, 様々な設計ノウハウが必要となる.PFU では, 長年の経験を基にお客様の製品開発を手厚く支援している. 1) デザインガイドの提供キャリアボード設計において重要な参考回路図や熱設計の指針を記載したデザインガイドを提供して, お客様の短期開発を支援している. 2) 評価ボードの提供キャリアボードを開発する前に, お客様のアプリケーションソフトウェアの先行開発用に, 評価ボード (Fig.3-Basic layout for Type 2 and Type 6) を提供している. 評価ボードは, お客様が使いたいデバイスやカードとシステムオンモジュールとの組合せ評価にも使用できる. 3) ソフトウェアサポート 3) OS と BIOS のカスタマイズ参による柔軟な対応に加え,PFU が組込みシステム向けに提供しているソフトウェア EmbedWare / SysMon シリー 4) ズ参により, リモートシステム監視と電源制御監視を提供している. 4 本製品開発での活用技術 (1)PI(Power Integrity) 解析 PI とは 電源品質 のことで,PI 解析は電源回路 36

5 COM Express Type6 規格に対応したシステム オン モジュール AM120 モデル 210H 電源プレーン設計の妥当性を実設計前に確認するために を部品配置 配線設計に反映したことで 波形品質を確 実施する この解析での主な実施項目は以下のとおりで 保し 実機でのメモリデータのセットアップ時間やホー ある ルド時間のマージン確保 ノイズや波形歪みの発生を抑 １ 電圧降下解析 基板のアートワーク設計中に 電源プレーンの電圧 降下を予測検証し 設計にフィードバックすることで えた ３ 熱解析 本製品は Type2 製品から基本レイアウトを大きく 実機での電圧降下を 0.15% 以下に抑えた 図 - ４参 変更しており Type2 製品を搭載した装置との熱設計 照 における互換性を確認する必要があった その際 試作 ２ AC デカップリング解析 実測 対策のサイクルの繰り返しによるカットアンドト PI 解析を導入する以前は インテルの推奨デザイ ライの開発では 開発サイクルに追従できず 試作評価 ンに従った数と配置でデカップリングコンデンサを 費用も膨大となる そこで本製品の開発時にも 従来か 使用する設計を行っていた この方法では システ ら積極的に活用してきた熱解析を実施し その結果とし ム オン モジュールの場合 部品実装範囲に制約が大 て Type2 製品と同じ風向き 長手方向のフィン の きく 部品配置に大変苦労していた 本製品の開発で ヒートシンクを本製品に搭載してダクトを装着すること は PI 解析を行い コンデンサの最適配置を行うこ で Type2 製品を搭載した装置と熱設計の互換性が確 とで 推奨デザインからコンデンサを 5% 削減して 保できることを確認した もデカップリング効果の高い設計ができることを見極 熱解析では解析精度が課題となるが PFU は これ め 品質を保ちつつ 部品数の削減と余裕のある部品 まで蓄積してきたノウハウにより 5.3% 以下の解析精 配置を実現した 度を実現し 試作レスと開発期間短縮を実現している ２ メモリの伝送解析 図 - ５に本製品の解析事例を示す注５ 本製品ではサポートするメモリが DDR に高 速化している そのため セットアップ時間やホールド 時間のマージン減少や ノイズや波形歪みが発生しやす くなることによって 伝送エラーの発生が高まるリスク 風向き がある そのリスク対策として活用した技術が伝送解析 である PFUでは 従来から伝送解析を積極的に活用し 高速配線の伝送品質確保に努めてきた 本製品では メ モリ伝送路のインピーダンス設計 メモリ配線の伝送損 失 クロストーク検証等を実施し そこで得られた結果 を元にメモリの配線ルールを決定した その配線ルール Ta:60 Temperature degc 温度分布 測定値 解析値 プロセッサ 測定箇所 誤差 解析誤差 4.2 チップセット 図 - ５ 解析事例 Fig.5-Thermal analysis example 図 - ４ 電圧降下解析 Fig.4-Voltage drop analysis 注５ 図中に記載している解析誤差は 次の計算式で求めている 解析値 測定値 測定値 100 解析誤差 % 37

6 5 本製品の適用例 ( マルチディスプレイシステム ) 本製品の特長である, 強化されたグラフィックス機能を使用して, グラフィックデバイスを増設することなく, 小型で安価に 3 画面のマルチディスプレイシステムを実現できる. 出力インターフェースとして,VGA, LVDS,DisplayPort,HDMI,DVI の中から一定の組み合わせを選択することができる. 図 -6に 3 画面のマルチディスプレイシステムブロック図例を示す. DDI DisplayPort AM120 DDI 6 むすび AM120 モデル 210G/210H の投入により, システムオンモジュールの今後の製品ラインナップは Type2 から Type6 へ移行する. 今後も組込み市場の動向に合わせて, 新しいプロセッサやチップセットを搭載する COM Express 規格準拠の製品をいち早く開発し, お客様の様々なニーズに応える製品を提供し続けていく. 参考文献参 1) システムオンモジュールホームページ. 参 2) 大谷, 村井 :COM Express 規格に準拠した次世代システムオンモジュール AM100 シリーズ,PFU Tech.Rev.,16,2, pp.9-15(2005). 参 3) 番井, 宇都宮 : 組み込み製品における BIOS,OS カスタマイズ サービス,PFU Tech.Rev.,17,2,pp.26-30(2006). 参 4) ハードウェア監視ツール (EmbedWare/SysMon: エンベウェア / シスモン ) ホームページ DisplayPort DDI トランス ッタ キャリアボード HDMI 図 画面マルチディスプレイシステムブロック図例 (Fig.6- Block diagram example for a 3-screen multi-display system) 38