I PC industriali compatti, denominati embedded systems o embedded box PC, si stanno diffondendo grazie alla continua riduzione dei consumi e alla ricchezza d’interfacce dei processori moderni. Se guardiamo all’evoluzione della litografia dei processsori negli ultimi anni noteremo come essi siano passati da processi a 45nm a processi a 14nm con enormi miglioramenti in termini di consumi. Conseguentemente è cresciuta la tendenza a progettare sistemi senza ventola, così detti fanless, e contestualmente è cresciuta la potenza di calcolo fruibile con dissipazione passiva. Un ulteriore punto in favore della crescita dei sistemi fanless è rappresentato dalla tendenza all’uso di dispositivi di connettività esterna. Se in passato si tendeva ad aggiungere funzioni tramite schede su slot di espansione interni, oggi sono disponibili in larga scala dispositivi con connettività esterna di tipo seriale o ethernet in grado di offrire elevate prestazioni. Su sistemi fanless infatti l’espandibilità è spesso limitata all’uso di schede Mini PCI Express e al limite 1-2 slot d’espansione PCI o PCI Express in quanto si tende ad utilizzare maggiormente le interfacce I/O a bordo come RS-232/422/485, USB, Ethernet, CAN Bus e Digital I/O. Molti progetti inoltre richiedono di alloggiare i computer in custodie, quadri e cabinet con spazio ridotto per cui sono necessari sistemi compatti, installabili anche su barra DIN.
L’ampia diffusione di sistemi fanless sul mercato ne ha reso accessibili i costi in quanto i maggiori produttori di PC industriali riescono a razionalizzare la produzione su volumi elevati.
Tuttavia vi sono caratteristiche tecniche estremamente differenti che richiedono un’attenta analisi nella scelta del sistema da utilizzare per il proprio progetto. Una modalità progettuale nella realizzazione di sistemi fanless è quella di partire da schede in formato standard (es. Mini-ITX o 3,5″) realizzando un case di alloggiamento. Tale soluzione è la più semplice e immediata ma ha delle controindicazioni intrinseche. In primo luogo lo studio termico e della dissipazione si devono adattare alle caratteristiche della scheda.
In secondo luogo è molto probabile che per garantire un adeguato set d’interfacce sarà necessario riportarne alcune dalla scheda al case mediante l’uso di cavi. Tale soluzione ha delle controindicazioni in termini di affidabilità in quanto i cablaggi interni sono maggiormente sensibili a shock, vibrazioni, disturbi elettromagnetici e invecchiamento dei contatti di connessione.
Diverso invece è l’approccio di un sistema sviluppato ad hoc a livello di chassis ed elettronica. E’ un approccio che richiede sicuramente maggiori risorse nella fase di sviluppo ma con maggiori garanzie a livello di flessibilità ed affidabilità. Questa filosofia consente infatti di ottimizzare lo studio termico in base alle caratteristiche che dovrà avere il sistema finito rendendo maggiormente uniforme la diffusione del calore evitando i così detti “hot spot” (punti a maggior concentrazione di calore). Lo sviluppo congiunto della scheda e della custodia consente inoltre di ottimizzare il design meccanico relizzando gli alloggiamenti per le periferiche su misura senza utilizzare cavi di riporto o adattamento (es. per installare HDD / SSD). Tale approccio ha tutta una serie di vantaggi in termini di affidabilità e compattezza di sistema.
Di seguito analizzeremo alcuni punti che è bene tenere in considerazione nella scelta del sistema fanless da utilizzare.
1) Architettura fanless: è sempre bene verificare come è stato progettato il sistema. E’ esso basato su una scheda pronta in formato standard o è stato progettato ad hoc a livello di scheda e custodia? Tutto ciò è facilmente verificabile consultando i manuali d’utilizzo.
2) Architettura cable-free: molti produttori dichiarano di non utilizzare cavi di riporto per le interfacce ma molto spesso ci si trova a dover integrare HDD ed SSD mediante l’uso di cavi Serial ATA. Siamo sicuri quindi che il sistema dispone di tutti gli alloggiamenti e caratteristiche per poter essere utilizzato senza cavi interni ?
3) Temperatura operativa: questa è la principale discriminante tra sistemi di alta e bassa qualità. Siamo certi che il sistema sia in grado di lavorare al 100% delle prestazioni della CPU agli estremi della temperatura operativa dichiarata senza subire riduzioni di clock ? Non si intende solo che il PC sopravviva a tali temperature ma che operi a piena velocità senza intervento dello “speed throttling” a ridurre il clock. Questo oltre a consentire il 100% delle prestazioni di sistema indica un migliore studio della dissipazione e un maggiore MTBF di sistema.
4) Alimentazione in ingresso: l’ambiente di fabbrica è spesso caratterizzato da tensioni e correnti instabili. Siamo certi che il sistema abbia dei buoni margini di tolleranza per tensioni e correnti in ingresso ? Ancora più gravose in questi termini sono le applicazioni a bordo dei veicoli che nella fase di accensione generano degli spike per cui il sistema deve essere dotato della funzione “power ignition”. Questa consente di ritardare l’alimentazione al sistema finchè, a seguito dell’accensione del veicolo, l’alimentazione a bordo si sia stabilizzata.
5) Protezione ESD: l’ambiente di fabbrica è spesso caratterizzato da elevati livelli di scariche elettrostatiche. Siamo certi che il sistema abbia un certo grado di protezione e isolamento sulle interfacce?
6) Facilità di manutenzione: l’accessibilità alle periferiche dall’esterno è una funzione che facilita le operazioni di manutenzione e upgrade ed è raccomandabile per i dispositivi che sono maggiormente soggetti a rottura come gli HDD e SSD.
7) Espandibilità: molto spesso i sistemi fanless dispongono solamente di socket interni di espansione Mini PCI Express che vengono tipicamente utilizzati per aggiungere moduli di comunicazione wireless che richiedono solamente il riporto esterno delle antenne. Una finestra apribile sul case può quindi venire utile per aggiungere connettori e funzionalità qualora in futuro siano richiesti upgrade di prodotto. Su alcuni sistemi embedded invece sono anche presenti 1-2 slot d’espansione di tipo PCI e PCI Express ma il produttore del sistema non può sapere a priori quale tipo di scheda verrà aggiunta dal cliente. E’ quindi raccomandabile che il produttore dichiari un massimo consumo per la scheda add-on da installare, che dichiari eventuali implicazioni sulla temperatura operativa e che preveda la possibilità di installare delle ventole di ausilio qualora il cliente debba utilizzare schede ad elevata dissipazione. Inoltre essendo le schede su slot soggette a shock e vibrazioni i migliori sistemi fanless prevedono dei fermi di fissaggio regolabili su varie misure per assicurare che le schede d’espansione abbiamo una connessione robusta.
6) MTBF e Test Report: è sempre bene richiedere al fornitore la documentazione relativa ai vari test di qualificazione della macchina tra cui le prove di shock e vibrazione, le prove termiche, l’analisi di MTBF, i report di burn-in nonchè la documentazione relativa ai test di validazione relativi alle varie certificazioni obbligatorie per legge. Qualora il prodotto sia validato per applicazioni ferroviarie o veicolari è opportuno richiederne i relativi certificati come EN-50155 ed E-mark.
7) Longevità: La maggior parte dei progetti industriale richiede longevità di prodotto per poter gestire in maniera adeguata il ciclo di vita del proprio macchinario sia a livello di produzione che di gestione delle riparazioni e dei ricambi. Questo consente inoltre al cliente di non dovere gestire continue omologazioni di prodotto a causa di prodotti instabili. E’ quindi opportuno richiedere al fornitore un documento ufficiale in cui venga dichiarato il ciclo di vita del prodotto, i termini ufficiali di fine produzione e le politiche di “last-buy order e last-buy shipment”.
8) TCO (Total cost of ownership): la valutazione dei costi di un sistema embedded deve tener conto dell’intero ciclo di vita del progetto e non del semplice costo d’acquisto della macchina. La scelta di un prodotto non adeguato all’applicazione nell’ottica del riparmio sui costi d’acquisto può avere risvolti drammatici a livello di costo di ownership. In primo luogo genera elevati costi di sostituzione dell’hardware e di manutenzione, e a volte rende impossibile la riparazione dei PC se non tramite sostituzioni ex-novo. A livello produttivo poi i cambiamenti nell’hardware constringono il cliente a continue ed onerose omologazioni di prodotto e talvolta anche a redesign software qualora non si riesca più a reperire un prodotto compatibile.