Electronique - Les modules processeurs

Les modules processeurs
Bien que le nombre de formats de modules processeurs soit relativement élevé, c'est le standard ETX qui domine largement ce marché. Côté processeur, les architectures Intel sont largement majoritaires. Quant aux modules COM Express, basés sur l'utilisation de la technologie d'interconnexion PCI Express, ils devraient monter en puissance dès 2007.

François Gauthier , Electronique Mensuel, le 14/09/2006 à 07h00

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	Sommaire du dossier
	Les modules processeurs
	Trouver le bon compromis entre prix, évolutivité et pérennité

Le concept de modules processeurs, ou Computer on modules (COM), s'est largement imposé dans les applications embarquées ces dernières années. Rappelons que ces modules processeurs sont des cartes de petite taille, connectées à une carte porteuse, sur lesquelles on trouve une unité centrale complète. On se retrouve donc avec l'équation « Module processeur + carte porteuse = carte applicative complète » , dans laquelle la porteuse intègre le savoir-faire de la société en termes de fonctionnalités ou d'entrées/sorties ; alors que le module processeur est un élément standardisé, que l'on peut faire évoluer au gré des améliorations ou des modifications apportées par les fournisseurs de microprocesseurs. Les avantages de cette approche sont connus : le temps de développement global d'un système est réduit ; les équipes de conception peuvent se concentrer sur la plus-value d'une application (qui ne se situe jamais au niveau de l'unité centrale) ; l'évolution du système en termes de puissance, sans toucher aux entrées/sorties est facilitée ; la forme de la carte porteuse et la position des connecteurs sur celle-ci sont maîtrisées ; et, enfin, les coûts de développement et d'évolution sont mieux contrôlés.

C'est le célèbre format PC/104, bien que conçu à l'origine pour bâtir des PC complets par empilement de cartes, qui a popularisé ce concept. Mais le PC/104, avec ses contraintes en termes d'encombrement et de connectique, n'est pas adapté à des marchés de volume et reste cantonné à des applications de prototypage ou de systèmes de démonstration. C'est la raison pour laquelle, depuis quelques années, de nombreux facteurs de formes de modules processeurs sont apparus afin de mieux adresser des marchés de volume, supérieurs à 1 000 pièces par an.

On peut classer ces formats en trois grandes catégories. La première correspond aux modules qui se sont imposés sur le marché et sont devenus des standards de facto, bien que non normalisés en bonne et due forme. C'est le cas par exemple du format ETX, inventé en 2001 par la société allemande Jumptec qui a rejoint Kontron en 2002. Selon la société d'études de marché VDC, l'ETX représente aujourd'hui dans le monde, en volume, plus de 70 % du marché des modules processeurs, et c'est Kontron avec environ 35 % de parts de marché qui est de loin le numéro un du secteur.

La seconde catégorie correspond aux modules qui bénéficient de spécifications officielles, gérées par un organisme de normalisation. C'est le cas des modules COM Express, récemment normalisés par le PICMG. Tout comme les cartes mezzanines processeurs aux formats PMC (PCI mezzanine card) et AMC (Advanced mezzanine card), elles aussi standardisées sous l'égide du PICMG. Ces cartes mezzanines ne sont pas des modules processeurs stricto sensu, mais leur concept en est très proche, bien que leur marché soit très différent car centré sur les systèmes VME, CompactPCI ou ATCA (voir encadré). L'intérêt de cette approche pour les utilisateurs est que, normalement, ils peuvent changer de fournisseur sans avoir à craindre des différences en termes de surface, de connectique ou d'assignation de broches.

La troisième catégorie de Computer on modules est constituée de cartes dont les spécifications n'appartiennent qu'à un seul fournisseur, et pour lesquelles les secondes sources sont rares voire inexistantes. De ce fait, leur aire d'influence est plus limitée. On peut citer dans cet ensemble : les cartes Smart Modules du suisse Digital Logic, très bien adaptées à des marchés qui réclament des garanties élevées de pérennité et/ou qui ont des contraintes sévères d'environnement ; les modules ESM de l'allemand Men Mikro Elektronik qui ont la particularité d'intégrer un FPGA pour la personnalisation des entrées/sorties (bus CAN, interface IDE...).

Côté processeur, ce sont les architectures Intel sur ces modules qui sont archidominantes, et plus particulièrement en ce moment le Pentium M. Quant aux nouvelles architectures Dual Core d'Intel, elles commencent à apparaître, notamment sur les modules COM Express de Kontron et Radisys, mais aussi sur les modules au format XTX d'Ampro et de Congatec. En ce qui concerne les utilisateurs de PowerPC, qui généralement travaillent sur des architectures VME ou CompactPCI, la quasi-totalité des cartes mezzanines processeurs au format PMC sont conçues autour de ce processeur, notamment le PowerQuicc III. Et pour ceux qui souhaitent utiliser le PowerPC pour des applications embarquées, le standard E ² Brain, initié par Kontron, permet d'avoir sur ces modules des architectures Risc. Enfin signalons qu'ADLink, représenté en France par Ecrin Systems qui joue un rôle de centre de développement ETX en Europe pour la société, va introduire sur le marché une carte COM Express basée sur un processeur PowerQuicc II (MPC8347E) cadencé 667 MHz, ce qui est une première pour ce standard.

Gérer la transition vers le PCI Express
Le concept de module processeur est désormais bien établi chez les utilisateurs et les perspectives en termes de marché sont excellentes avec, selon VDC, un taux de progression annuel de l'ordre de 20 %, pour atteindre un chiffre d'affaires global d'environ 160 M$ en 2008, 500 millions lorsqu'on inclut les cartes porteuses de développement (figure). Cependant, la plupart des formats ont été conçus au début des années 2000, voire avant, et sont aujourd'hui dans l'obligation d'évoluer pour coller aux avancées technologiques de l'électronique.

La rupture sur ce marché est venue en 2005, avec l'avènement du standard COM Express, développé sous la houlette du PICMG. Avec ce type de carte, la technologie de liens série à haute vitesse PCI Express est utilisée pour assurer la connexion avec la carte porteuse avec une bande passante pouvant atteindre 80 Gbits/s (avec une configuration à 32 liens PCI Express). Au-delà, le standard offre, via deux connecteurs à 220 broches chacun, des liens Serial ATA (pour la connexion de disques durs) avec une bande passante de 600 Mbits/s, des liens Gigabit Ethernet, des interfaces USB 2.0 et des canaux SVDO (Serial video digital out).

Ce type de module représente l'avenir pour le marché des Computer on modules. VDC estime que les cartes COM Express atteindront un chiffre d'affaires de 190 M$ en 2010, alors qu'il n'est que de 20 M$ aujourd'hui, soit un taux de progression de plus de 20 % par an. Reste à savoir comment assurer la transition entre les cartes au format ETX et ce nouveau standard strictement incompatible, aussi bien en termes de surface que de connectique.

Trois solutions sont aujourd'hui disponibles sur le marché pour gérer cette situation. Pour ceux qui souhaitent continuer avec le format ETX, la spécification ETX 3.0 offre deux interfaces Serial ATA et le support des interfaces USB 2.0, avec exactement la même connectique que les modules ETX traditionnels. D'ores et déjà, neuf fournisseurs dans le monde ont déclaré leur engagement vis-à-vis de cette évolution de l'ETX, crédibilisant ainsi son avenir. Outre Kontron, à l'origine de l'ETX, qui propose avec sa carte ETX-LX à base de processeur Geode LX 800 d'AMD une carte ETX 3.0, les sociétés Arbor, Axiomtech, BlueChip Technology, Evalue Technology, ADLink, Secon, AAEON et MSC soutiennent cette spécification. Autre voie, l'utilisation du standard COM Express Compact, plus petit que le COM Express (tableau I), sur lequel il est possible de n'utiliser qu'un des deux connecteurs à 220 broches et de mettre à profit uniquement le bus PCI comme interface de communication avec la carte porteuse. Ainsi, avec cette approche, on prépare une migration en douceur vers le PCI Express : soit en conservant des modules COM Express Compact, mais en utilisant cette fois les liens PCI Express ; soit en passant directement au format COM Express, ce qui est possible puisque la position des connecteurs entre les deux formats est identique.

Enfin, la société allemande Congatec (fondée par d'anciens ingénieurs de Jumptec) propose avec le format XTX une voie originale pour aller vers le PCI Express, sans remettre en cause les investissements initiaux réalisés avec l'ETX. En effet, le format XTX reprend exactement les quatre connecteurs X1, X2, X3 et X4 de l'ETX, mais en remplaçant le vieux bus Isa présent sur le connecteur X2 par quatre liens PCI Express, quatre liens Serial ATA, deux interfaces USB 2.0, un bus LPC ainsi que d'autres fonctions annexes (liens audio, gestion de carte...). Signalons que les sociétés Ampro et Advantech, intéressées par le concept, ont décidé de créer l'alliance XTX avec Congatec, donnant ainsi un poids certain à ce nouveau standard dont la version 1.1 vient d'être publiée.

A propos des tableaux

Dans le tableau consacré aux modules processeurs, nous avons décidé d'exclure les cartes au format PC/104 qui représentent un marché à part, dans lequel les cartes unités centrales sont utilisées principalement pour des marchés de faible volume (quelques dizaines d'unités). En revanche, nous avons intégré les cartes mezzanines processeurs, aux formats PMC et AMC.

Ces cartes diffèrent des « véritables » Computer on modules en ce sens qu'elles ne présentent pas d'interfaces d'entrées/sorties sur la connexion à la carte porteuse, constituée uniquement du bus PCI. Ainsi, si l'on souhaite disposer d'une interface USB sur une carte PMC, il faut la concevoir sur la porteuse ou bien rajouter une connectique appropriée sur la mezzanine. La seconde différence majeure tient à la nature des cartes porteuses, puisque les cartes PMC et AMC sont destinées exclusivement aux systèmes VME, CompactPCI et AdvancedTCA. Cependant, le concept est très proche, et il s'agit bien de petites cartes unité centrales standard qui se connectent sur des cartes porteuses, sur lesquelles l'utilisateur concentre sa plus-value.