在“工業互聯網”的曙光中，模塊化嵌入式系統的賭注正在加大。越來越多的機器正在連接，其中許多機器處于偏遠和具有挑戰性的環境中，例如石油和天然氣、機車、運輸和船舶推進系統。為了在更短的時間內滿足對更多數據的需求，這些系統必須更快、更長時間地工作。隨著對數據的需求加速是計算機處理器的發展。但企業無法承擔更換處理器所需的停機時間，或升級處理器時更換載板的費用。根據能源部 2006 年的一項研究，閑置的工業機械每分鐘的成本可能高達 800 美元。

需要一個模塊化的嵌入式計算架構來解決這些成本和停機時間問題。也許當今可用的模塊化架構中最引人注目的是 COM Express。COM Express 為當今日益互聯的世界提供了必要的計算能力，同時還延長了底層系統的使用壽命。隨著芯片技術的發展，用戶可以在不影響底層硬件和資產的情況下切換模塊，從而節省時間和金錢。COM Express 技術的模塊化、簡單性和可靠性有助于企業保持競爭力、盈利和靈活性。

利用處理能力的升級

基于 COM Express 的技術由 PICMG 于 1994 年開發，PICMG 是一個由 250 家公司組成的聯盟，為高性能計算應用程序開發開放規范。今天，COM Express 外形尺寸有四種尺寸：

迷你：55 x 84 毫米

緊湊型：95 x 95 毫米

基本款：95 x 125 毫米

擴展：110 x 155 毫米

這些不同尺寸的 COM Express 模塊可幫助企業在任何可以想象的工業應用中通過在日益互聯的世界中最大限度地提高關鍵基礎設施系統的性能來保持競爭力。

英特爾、AMD 等處理器制造商不斷推出新產品證明了提高性能的需求。無論是更好的線程、更多內核、更好的圖形、更低的功耗還是更高的時鐘速度，這些公司都在不斷響應對更多、更快的全面計算的需求——無論是在臺式機上還是在嵌入式工業系統中。但是，每當有令人信服的新一代技術可用時，更換一個完整的子組件或子系統是耗時、昂貴且有風險的。然而，利用更高水平的處理器能力和性能是當務之急。將處理器模塊與底層載體分離意味著技術升級是無痛且負擔得起的。

除此之外，模塊化 COM Express 方法允許用戶靈活地以適當的價格水平提供特定于應用程序的性能和功率（圖 1）。例如，基于 i7 的四核處理器模塊可用于特定載板上，以實現高價值、高關鍵性、高性能的應用——而相同的載板，具有相同的特性和 I/O 功能，使用基于威盛 Nano 處理器的低性能 COM Express 模塊，可用于價值較低、關鍵性較低、要求不高的應用；這導致更低的開發成本和更快的上市時間。

現代機車是這種靈活性的完美用例。今天的機車中有近十幾個計算機處理器。雖然這些計算機的處理要求不同，但它們中的大多數具有相似的 I/O 要求。根據應用程序的適當處理器功率級別，使用具有不同 COM Express 模塊的相同或類似載板，具體取決于其配置文件，可實現價格/性能平衡。

然而，這種模塊化程度的優勢遠遠超出了初始部署。從長遠來看，升級性能水平只是更換處理器模塊的問題，而不是整個子組件。這可以節省資金，并最大限度地減少對整個模塊與周圍環境交互方式的不可預見的影響。

在提到的機車示例中，可以升級 COM Express 處理器模塊，而不會影響與位于載板上的引擎 I/O 的連接——減少昂貴且耗時的重新認證和測試。COM Express 的模塊化賦予了“技術插入”全新的含義。

由于這種模塊化優勢，COM Express 可以顯著延長關鍵基礎設施中關鍵元件的使用壽命——這對于石油和天然氣、能源和運輸等工業應用來說是一個寶貴的好處。在利用商業技術時尤其如此 - 通常稱為商業現貨 （COTS）。

過去，供應商經常在其產品上使用特殊的利基和專有組件。然而，對于許多此類組件供應商而言，確保這些產品持續競爭力的長期承諾——以及對研發大量投資的要求——意味著此類組件通常具有相對較短的使用壽命，并且無法從支持資金充足的計劃，以盡量減少過時的影響。

然而，商業產品（例如英特爾和 AMD 的產品）有望受益于開發路線圖，該路線圖將看到連續幾代產品進入市場，每一款都與其前身兼容，并且每一款都能夠提供新的性能水平。這種不斷的“提升游戲”為 COM Express 技術的用戶提供了一個真正的機會——這是一個模塊化架構最大限度地利用的機會，使物聯網 （IoT） 成為現實。

惡劣環境下的可靠性

COM Express 要提供真正的商業利益，它必須提供另一個重要屬性：可靠性。我們正處于“永遠在線”計算的時代：燈永遠不能熄滅。停機時間意味著收入損失。在許多關鍵基礎設施系統運行的惡劣、敵對環境中，這是一個挑戰。今天的互聯世界范式并沒有區分穩定環境中的系統，例如辦公室和數據中心，以及部署在重工業、工廠車間、鉆井平臺或運輸系統中的惡劣環境中的系統。

這些極端的工業條件需要堅固耐用的 COM Express 模塊（圖 2）。具體來說，它們必須在低至 -40 oC 和高達 +85 oC 的溫度下運行——例如，石油和天然氣作業中經常出現的溫度。它們還必須承受高達 40克的沖擊以及來自機械或飛機發動機的極端振動。需要保形涂層來抵抗工業環境中典型的濕氣、灰塵和化學品。

因此，設計、測試、鑒定和制造模塊化架構以部署在工業中許多關鍵基礎設施系統中的惡劣環境中，是一個艱苦而嚴格的過程——但如果要實現最大的可靠性和正常運行時間，這一點至關重要。模塊化很有幫助：通過將處理模塊與 I/O 載板分開，制造商可以確保處理模塊上的所有組件都經過專門選擇，以滿足特定應用的擴展溫度、沖擊和振動水平。在最大性能應力下測試模塊也變得更加容易，例如，這可以幫助設計人員在設計周期的早期獲得具有均勻溫度分布的最佳散熱器解決方案。

雖然如前所述，處理器模塊的設計受到了相當大的關注，但 COM Express 的模塊化使載板的開發成為可能。開發處理器模塊的設計和測試工程師不必等到整個載板開發完成來驗證處理器模塊設計。這種平行的——甚至是地理上分散的——開發可以減少開發時間和成本，同時仍然為惡劣的工業環境提供可靠的解決方案。

為今天和未來提供可靠的性能

靈活地選擇無數不同的價格、功率和性能點，使完全堅固的 COM Express 模塊化架構成為當今互聯世界的高性能工業自動化應用的杰出選擇。堅固耐用的 COM Express 不僅可以顯著降低生命周期總擁有成本并延長自動化應用程序的生命周期，它們還為企業提供了利用工業互聯網的力量和機遇的機會，同時提供出色的可靠性。

審核編輯：郭婷