Computer-on-Module-Standards: Wie COM-HPC & Co. skalierbare Embedded-Systeme ermöglichen
Embedded-Systeme müssen heute hohe Rechenleistung, geringe Latenzen und die Verarbeitung zunehmend anspruchsvoller KI-Workloads auf einer Plattform vereinen. Gleichzeitig sind sie oft über viele Jahre im Einsatz. Das stellt hohe Anforderungen an Verfügbarkeit, Wartbarkeit und das langfristige Weiterentwickeln der Hardware. Computermodul-Standards wie COM-HPC, COM Express oder SMARC setzen deshalb auf eine klare Trennung von Recheneinheit und applikationsspezifischem Carrier Board. Das erleichtert das Wiederverwenden bestehender Designs, vereinfacht den Wechsel auf neue Prozessorgenerationen und reduziert den Aufwand bei Obsoleszenz und Re-Designs.
Welche Computermodul-Standards gibt es?
Computermodule, meist als Computer-on-Modules (CoMs) bezeichnet, sind sowohl in proprietären Formfaktoren als auch auf Basis offener Standards am Markt erhältlich. Im Laufe der vergangenen Jahrzehnte haben sich verschiedene offene Computermodulstandards etabliert. Zu den maßgeblichen Standardisierungsorganisationen zählen die PCI Computer Manufacturers Group (PICMG) sowie die Standardization Group for Embedded Technologies (SGET). Zu den wichtigsten Standards gehören:
- COM-HPC (Computer-on-Module for High-Performance Computing): Die PICMG-Spezifikation adressiert moderne High-Performance-Embedded-, Client- und Server-Systeme mit hohen Datenraten und Hochgeschwindigkeitsschnittstellen. COM-HPC Mini erweitert die Familie um einen kompakten Formfaktor im Kreditkartenformat für leistungsfähige Small-Formfaktor-Systeme.
- COM Express: Der ebenfalls von der PICMG ratifizierte und seit vielen Jahren etablierte Standard umfasst unterschiedliche Modulgrößen und Pinout-Typen. Mit COM Express Mini steht auch hier ein kompakter Formfaktor zur Verfügung, der sich beispielsweise für x86-basierte Embedded-Systeme eignet.
- SMARC (Smart Mobility ARChitecture): Der SGET-Standard verbindet einen kompakten Formfaktor mit Schnittstellen, die insbesondere für Low-Power-Arm- und energieeffiziente Applikationen relevant sind. Die aktuelle Spezifikation SMARC 2.2 entwickelt den bestehenden Standard konsequent weiter.
- OSM (Open Standard Module): Mit OSM hat die SGET einen Standard für besonders kleine, auflötbare CoMs geschaffen. OSM richtet sich an miniaturisierte Embedded- und IoT-Systeme und ist in den Größen 0, S, M und L definiert.
Daneben gibt es weitere Standards wie CompactPCI Serial oder MicroTCA für industrielle Backplane-Systeme sowie ModBlox7 für modulare Industrie-PCs. Auch Qseven war über viele Jahre erfolgreich am Markt etabliert. Welcher Standard für eine bestimmte Applikation geeignet ist, hängt von der jeweiligen Systemarchitektur ab. Entwickler müssen dabei unter anderem Leistungsbedarf, verfügbaren Bauraum, Kühlkonzept, benötigte I/O-Schnittstellen und gewünschte Austauschbarkeit projektbezogen bewerten.
Warum erleichtern CoM-Standards das Carrier Board Design?
Das Grundprinzip eines CoMs besteht im funktionalen Trennen der Rechenplattform von der Applikation. CPU, GPU, Arbeitsspeicher sowie ein breites Spektrum an Standardschnittstellen befinden sich direkt auf dem Modul. Das Carrier Board enthält dagegen die applikationsspezifischen Funktionen und führt die benötigten Schnittstellen nach außen. Innerhalb eines CoM-Standards sind die Schnittstellen festen Signalpins zugeordnet, sodass kompatible Module verschiedener Hersteller und Prozessorgenerationen auf demselben standardkonformen Carrier Board zum Einsatz kommen können.
Hersteller müssen dadurch nicht bei jeder neuen Prozessorgeneration ein vollständig neues CPU-Board entwickeln. Stattdessen konzentriert sich das Hardwaredesign auf produktspezifische Funktionen wie:
- Schnittstellen für Ethernet, Feldbusse und Kommunikation
- Sensor- und Aktoranschlüsse
- kundenspezifische I/Os
- applikationsspezifische Erweiterungen
Die CoM-Standards definieren unter anderem mechanische Maße, Steckverbindertypen, Signalbelegung und elektrische Anforderungen des Embedded-Moduls. Zum einfachen Entwickeln von Carrier Boards stellen PICMG und SGET zudem eigene Carrier-Board-Design-Guides für die jeweilige Spezifikation bereit, wie der aktuelle COM-HPC Carrier Design Guide zeigt.
Wie unterstützt die Modularität das Wiederverwenden des Designs?
COM Express basiert beispielsweise auf einer modularen Architektur aus standardisiertem Rechenmodul und anwendungsspezifischem Carrier Board. Hierdurch lässt sich ein bestehendes Carrier Board mit unterschiedlichen COM-Express-Modulen kombinieren, sofern die jeweiligen Schnittstellen und technischen Anforderungen kompatibel sind.
Leistungs-Upgrades können durch den Austausch des Moduls erfolgen, ohne das Carrier Board vollständig neu entwickeln zu müssen. Die PICMG beschreibt diese Architektur als Grundlage für einen skalierbaren Upgrade-Pfad sowie für das Wiederverwenden bestehender Technologien.
Gerade in der Industrieautomation lässt sich der modulare Ansatz für skalierbare Produktfamilien nutzen. So lassen sich beispielsweise komplette Produktfamilien auf Basis desselben Carrier Designs entwickeln, indem man dieses mit unterschiedlich leistungsfähigen Modulen kombiniert. Hiermit lässt sich die Rechenleistung an die jeweiligen Anforderungen einer Applikation anpassen. Gleichzeitig können Entwickler bestehende Designs für neue Applikationen wiederverwenden, was den Entwicklungsaufwand und die damit verbundenen einmaligen Entwicklungs- und Engineering-Kosten stark reduziert.
Warum Lifecycle-Support und Austauschbarkeit entscheidend sind
Applikationen in der Industrie, Medizintechnik oder im Transportwesen sind häufig zehn Jahre und länger im Einsatz. Hierzu zählen etwa:
- Maschinensteuerungen in Produktionsanlagen
- Bedien- und Visualisierungssysteme
- medizinische Analyse- und Bildgebungsgeräte
- Fahrgastinformationssysteme in Bahnen
Diese Systeme müssen über ihren gesamten Lebenszyklus gewartet und weiterentwickelt werden, während Halbleiterhersteller die eingesetzten Prozessorplattformen in deutlich kürzeren Zyklen durch neue Generationen ersetzen.
Genau hier spielt die Modularisierung einen ihrer wichtigsten Vorteile aus. Ändert sich die Prozessortechnik oder kündigt ein Hersteller ein Modul ab, ist im Idealfall nicht das gesamte System neu zu entwickeln oder auszutauschen. Stattdessen lässt sich ein kompatibles Nachfolgemodul auf dem bestehenden Carrier Board einsetzen. Offene Standards reduzieren darüber hinaus die Abhängigkeit von proprietären Formfaktoren und Pinouts und ermöglichen es verschiedenen Anbietern, standardkonforme Module zu entwickeln.
Wie sich dieser Ansatz in der Praxis nutzen lässt, zeigt beispielsweise congatec bei einem COM-HPC-Carrier-Board: Das Unternehmen nennt eine Embedded-Langzeitverfügbarkeit von mindestens sieben Jahren und sieht durch die Kombination aus Carrier Board und austauschbaren Modulen zukünftige Upgrade- und Update-Optionen vor. Advantech verweist bei seinen CoMs auf Produktlebenszyklen von sieben bis 15 Jahren und bietet ergänzend Lifecycle- und Migrationsservices für Embedded-Plattformen an. Damit können modulare Architekturen dazu beitragen, bestehende Systemdesigns länger zu nutzen und den Übergang auf neue Rechenplattformen planbarer zu gestalten.
Was bedeutet die Standardisierung für die Embedded-Branche?
Mit steigenden Anforderungen an die Rechenleistung, immer komplexeren KI-Workloads, Trends wie Edge AI und modernen Hochgeschwindigkeitsschnittstellen wächst die Komplexität von Embedded-Systemen. Gleichzeitig verlangen industrielle Applikationen lange Produktlebenszyklen und planbare Migrationspfade. CoMs verlagern einen Teil dieser Komplexität weg von der kundenspezifischen Hardware hin zu standardisierten Rechenmodulen.
Für Entwickler und Systemarchitekten wird die Auswahl des passenden Standards damit zu einer grundlegenden Architekturentscheidung. Entwickler, die nicht nur die aktuelle CPU-Generation, sondern bereits Auswahlkriterien wie
- Produktfamilie
- Carrier Board
- Upgrade-Pfade
- erwartete Nutzungsdauer
berücksichtigen, können Standardmodule als Basis für langfristig skalierbare Embedded-Plattformen einsetzen.
Wie können Unternehmen Edge, Cloud und OEE richtig kombinieren?
Allerdings sollte man nicht jede Analyse in der Cloud ausführen. Sicherheitskritische Funktionen wie das Überwachen von Grenzwerten, das sichere Abschalten in kritischen Zuständen oder Plausibilitätsprüfungen müssen lokal im BMS oder auf Edge-Ebene erfolgen. Hingegen eignet sich die Cloud etwa für Flottenvergleiche, Langzeittrends, Modelltraining und standortübergreifende Optimierungen. Eine robuste Anlagenarchitektur kombiniert beide Ebenen gezielt miteinander.
Der Nutzen zeigt sich in der Overall Equipment Effectiveness (OEE). Auf BESS übertragen umfasst die OEE drei Dimensionen: Verfügbarkeit, Leistung und Qualität. Das heißt, der Speicher muss einsatzbereit sein, die erwartete Leistung liefern und Energie im geforderten Betriebszustand bereitstellen. Predictive Maintenance verbessert diese Größen, indem ungeplante Ausfälle reduziert, Degradation früh erkannt und Wartungsfenster gezielt geplant werden.
Die Relevanz von Embedded Computing für die electronica Community
Auf der electronica 2026 spielt Embedded Computing eine zentrale Rolle. Im Messebereich edge lab LIVE!, zum Beispiel, können sich Entwickler aus erster Hand über aktuelle Prozessorplattformen, Computermodule und Systemlösungen der Embedded-Hersteller informieren.
Zudem greifen Foren wie das Embedded Systems Forum sowie das Embedded Developer Forum aktuelle Fragestellungen rund um Embedded-Architekturen, Energieeffizienz und modernes Systemdesign auf.