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COM Express規格に準拠した次世代システム オン - PFU
AM100 Series a COM Express Standard Compliant Next-generation System-On-Module 大谷潤一郎 * 村井秀俊 * Jun-ichiro Otani Hidetoshi Murai * プロダクト本部 システムプロダクト事業部 第二技術部 システム オン モジュール AM100 シリーズは，モジュール標準規格 COM Express に準拠し，高速 I/O インターフェースの PCI Express や SATA（Serial ATA）に対応する次世代小型モジュール製品で ある．この COM Express 標準規格および AM100 シリーズについて紹介する． The AM100 System-On-Module series are next-generation very small form factor computer modules that comply with COM Express standard supporting high speed I/O interfaces such as PCI Express and SATA (Serial ATA). This article introduces the COM Express standard and AM100 System-On-Module series. １ まえがき したシステム オン モジュールを I/O コネクタ等を搭載 PFU は，PC-AT アーキテクチャの CPU およびチ したキャリアボードに搭載することにより，望む大き ップセット機能を高密度実装技術により小型のモジュー さ・機能を持つマザーボードが実現可能である（図−１ ルに凝縮したシステム オン モジュールを 1995 年よ 参照） ． り提供してきた．今回，PFU は自ら策定に参画した a CPU やチップセット部分の開発が不要となるた COM Express 標準規格に準拠したシステム オン モ め，開発期間・費用・リスクの低減を図り，差別化 ジュールの新製品 AM100 シリーズの提供を開始し となるコア技術の開発にリソースを集中可能． た．本稿では，COM Express 規格と AM100 シリ ーズについて紹介する． s CPU だけではなく，チップセットが変わった場合 でも，モジュールを交換するだけでアップグレード が可能． 2 開発の背景とねらい ２.１ システム オン モジュール Windows 注１）の普及やソフトウェア資産の多さから， 組込み市場でも PC-AT アーキテクチャの採用が増え ている．しかし，CPU やチップセットは年々複雑さを 増しており，マザーボードの開発期間・費用の増大を招 システム オン モジュール ＋ キャリアボード いている．マザーボード製品は市販されているが，大き さ・機能がシステム要求に合わなければ活用できない． お客様仕様マザーボード この問題を解決するため，システム オン モジュール は開発された．CPU やチップセット部分を小型に凝縮 ●図―１ システム オン モジュール コンセプト● （Fig.1-Concept of System-On-Module） 注１）Windows は，米国 Microsoft Corporation の米国およびそ の他の国における登録商標である． PFU Tech. Rev.,16, 2,pp.9-15（11,2005） 9 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 d システム オン モジュールを使用することにより， 小型のシステム構築が可能．低消費電力設計により， バッテリー駆動システムの構築が可能． f Intel 社 と協力して，長期供給を保証．長年の 注２） ３.２ PFU の取り組み PFU は，米国子会社である PFU Systems，Inc． 社と共にモジュール製品市場での先駆者として，COM Express 規格の策定に積極的に取り組んだ．特に サーバ開発で培った設計技術により，高い品質と信 PICMG における規格検討の WG（Working Group） 頼性を実現． においては，議長（Chairman）を務め中心的な役割 を果たした．この WG には，米国・カナダ・ヨーロッ ２.２ AM100 シリーズ 近年，組込み市場においても必要とされる性能は高 まっており，特に画像処理分野やネットワーク機器等の パ・台湾・日本など世界各国から 20 社以上が参加し， 2004 年 7 月から 1 年余り，おおよそ週に一回のペー スで WG が開催された． 高速なデータ転送が必要とされる分野で顕著である．こ PFU は WG において，仕様面では組込み市場での れに対応するため，PCI Express や SATA といった 長年の経験を生かした提案を行い，技術面ではボード間 次世代の高速インターフェースに対応したシステム オ 接続コネクタの選定に当たり，伝送シミュレーションお ン モジュール新製品 AM100 シリーズを提供する． よびテストボードを開発しての伝送評価を実施し，外形 また，AM100 シリーズは標準規格 COM Express に準拠しており，適用アプリケーションの拡大がより一 寸法の検討においてはモックアップ基板を開発して検証 するなど，仕様策定をリードした． 層見込まれる． ３.３ COM Express 規格概要 3 COM Express 規格 ３.１ COM Express 規格が生まれた背景 COM Express 規格は，PICMG COM.0 規格とし て PICMG より規格書が配布されている．日本では， PICMG Japan より規格書が入手可能である． 選択と集中という産業界の流れの中で，組込み市場 COM Express 規格では，モジュール製品を置き換 においても差別化となるコア技術に集中し，コア技術以 えて使えるよう互換性の確保に配慮しつつ，幅広いアプ 外の部分はアウトソースするケースが増えている．この リケーションでの利用を想定して，複数の機能を定義し 背景から CPU ・チップセット部分を部品として入手 ている点が特長となる． できるモジュール製品市場は拡大を続けている． ３.３.１ 特長 従来，モジュール製品の標準規格は無かったが，市 a 複数のインターフェース バリエーション 場の広がりと，PCI Express 等次世代インターフェー COM Express 規格では，機能の違いにより五つの スの登場を受けて，モジュール製品市場の中心的な企業 インターフェース タイプが定義されている．PCI や 4 社（Intel 社，Kontron 社，Radisys 社，PFU） IDE といった従来から使われている，いわゆるレガシ が中心となり，さらなるモジュール製品の普及を目指し ーインターフェースをサポートしたタイプ，P C I て標準規格を策定することとなった． Express や SATA といった将来主流になる新しいイ このモジュール規格 COM Express は 4 社が共同 ンターフェースをサポートしたタイプ，それら両方のイ で策定した仕様を基にして，組込み向け PCI 製品の標 ンターフェースをサポートしたタイプ等である．これに 準化を目的とした国際的な標準化団体 PICMG（PCI より現在求められる機能だけでなく，将来的な市場の要 Industrial Computer Manufacturers Group）に 求に対しても対応可能な規格となっている． おいて，標準規格の一つとして策定され，2005 年 7 s 2 種類のフォームファクタ 月に公開された．モジュール製品市場は，標準規格の登 COM Express 規格では，表−１に示す 2 種類のフ 場によりさらなる活性化および今後の成長が期待され ォームファクタが定義されている．小型の Basic フォ る． ームファクタは，ポータブル機器等の小型機器への組み 込みが想定されている．大きめの Extended フォーム ファクタは，より高速な CPU および大容量で ECC 機能を持つメモリの搭載が可能であり，性能や信頼性が 注２）Intel は，Intel Corporation の登録商標である． 10 重視されるアプリケーションでの利用を想定している． PFU Tech. Rev.,16, 2,（11,2005） 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 ●表−１ フォームファクタ比較● フォームファクタ Basic Extended 大きさ 95 × 125 mm 110 × 155 mm アプリケーション 小型機器 高性能システム 市場要求 小型・省電力 高速・高信頼性 想定 CPU 省電力タイプ 高性能タイプ 想定メモリ 1ch SO-DIMM 2ch DIMM（ECC 可能） 95 mm 125 mm この二つのフォームファクタは取り付け穴の位置が ●図―２ Basic フォームファクタ寸法● （Fig.2-Basic form factor dimensions） 共通となっており，二つのフォームファクタを取り替え て搭載できるキャリアボードの実現も可能となってい る． 図−２に Basic フォームファクタの寸法を，図−３ に Extended フォームファクタの寸法を示す． d スタッキングコネクタ 110 mm モジュールとキャリアボードは，図−４の枠内に位 置する二つの 220 pin スタッキングコネクタによりキ ャリアボード上にモジュールを搭載する形で接続され る．スタッキングコネクタは高速伝送に対応しており， 今後登場する第二世代の PCI Express（5 GHz）や SATA（300 Mbps）のサポートにより，さらなる高 速化が可能である． 155 mm ●図―３ Extended フォームファクタ寸法● （Fig.3-Extended form factor dimensions） f ヒートスプレッダ COM Express では，モジュールを置き換えた際に 冷却機構を変更せずに済むよう，冷却機構の取り付け方 法について規定している．モジュールにはヒートスプレ ッダが搭載されており，このヒートスプレッダ上にヒー トシンク等の冷却機構を取り付ける．ヒートスプレッダ の大きさや冷却機構の取り付け穴は定義されており，モ ジュール間で冷却機構の流用が可能である． ３.３.２ 機能 COM Express では，表−２の機能をサポートする． どの機能がサポートされるかは，タイプにより異なる． 220 pin スタッキングコネクタ 2 個 ●図―４ スタッキングコネクタ● （Fig.4-Stacking connector） PFU Tech. Rev.,16, 2,（11,2005） 11 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 ●表−２ COM Express の機能● 機 能 仕 様 PCI 最大 32 Bit/33 MHz 1 ポート PCI Express 最大 32 レーン PCI Express Graphics 最大 1 ポート IDE 最大 1 ポート SATA 最大 4 ポート USB 2.0 最大 8 ポート LAN 最大 3 ポート LVDS 最大 2 チャンネル SDVO 最大 2 チャンネル VGA/TV 出力 最大 1 ポート LPC Super I/O 接続等 GPIO 最大 8 ビット 4 ●図―５ AM100 モデル 110 外観● （Fig.5-External view of the AM100 Model 110） AM100 シリーズ 図−５に AM100 シリーズモデル 110 の外観を， ●図―６ AM100 モデル 150 外観● （Fig.6-External view of the AM100 Model 150） 図−６に同モデル 150 の外観を示す． ４.１ 製品概要 I n t e l 社 9 1 5 G M チップセットを用い， Pentium 注３） M CPU を搭載して従来モデルに対し大 幅な性能強化を図った AM100 シリーズを新たに開発 した．COM Express 規格に準拠したモジュールとし ては，他社に先駆けるものである． 表−３に AM100 シリーズ仕様概要を示す． 高速転送（1ch に比べ 2 倍の転送性能）により，高速 なメモリ転送性能・グラフィックス処理性能を実現して いる． d 次世代インターフェースをサポート PCI Express，SATA 等 次世代の高速インターフ ェースをサポートしている．PCI Express は 500 MB ／秒以上（PCI 比 3.7 倍），PCI Express Graphics は 8 GB ／秒（AGP 比 4 倍） ，SATA は ４.２ 特長 150 MB ／秒（ATA100 比 1.5 倍）の転送性能を持 a COM Express 規格準拠 ち，画像処理等高い転送性能が要求されるアプリケーシ COM Express 規格に忠実に準拠しており，標準規 格製品として安心して使っていただける製品となってい ョンに最適である． これら次世代インターフェースはシリアル伝送を特 る． 徴としており，少ない信号線で接続可能なため PCB s 二つのフォームファクタを提供 設計の容易化，信頼性の向上をもたらす． COM Express 規格の Basic フォームファクタと Extended フォームファクタの 2 種類のフォームファ クタを提供する． 特に Extended フォームファクタは，PFU が唯一 提供 しており，メモリの 2ch 同時アクセスによる 注４） 図−７に AM100 シリーズ ブロック図を示す． f 高性能・低消費電力 従来の PD2300 シリーズに比べ，FSB（CPU バ ス）で 1.3 倍（533 MHz） ，メモリで 1.6 倍（533 MHz DDR2）周波数が向上している．また，3D 機能 を含めて大幅に強化された内蔵グラフィックスコントロ 注３）Pentium は，Intel Corporation の登録商標である． 注４）2005 年 9 月 2 日時点 12 ーラを持ち，飛躍的なシステム性能の向上を果たしてい る． PFU Tech. Rev.,16, 2,（11,2005） 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 ●表−３ AM100 シリーズ仕様概要● モデル AM100 モデル 110 AM100 モデル 150 PD-AM11738H 型 名 PD-AM15738H Basic フォームファクタ PD-AM15760H Extended Intel Pentium M 738 （低電圧版 1.4 GHz） CPU Intel Pentium M 760 （2.0 GHz） L2-2 MB キャッシュ Intel 915GM チップセット 400 MHz FSB 533 MHz SO-DIMM（DDR2-533 MHz） 主記憶 スロットにより最大 1 GB まで 1 DIMM（DDR2-533 MHz） 2 スロットにより最大 2 GBまで搭載可能 搭載可能 表 示 制 御 チップセット内蔵グラフィックスコントローラ（VRAM はメインメモリ使用） グラフィックスコントローラ CRT 最大解像度および表示色 QXGA（2 048×1 536）：1 677 万色 LCD 最大解像度および表示色 UXGA（1 600×1 200）：26 万色 x 16 レーン 1 本，外部グラフィックスコントローラ接続用 PCI Express Graphics 外 部 バ ス I ／ O イ ン タ ー フ ェ ー ス x 1レーン 4 本 PCI Express PCI 32 bit/33 MHz 3.3 V LPC 1（Super I/O 接続可能） LAN 1（10/100Base-T） USB 8（USB 2.0） SATA 2 1（ATA100） IDE あり（AC'97/Intel High definition Audio，外部 Audio-CODEC 要） Audio CRT 1 LCD 1（LVDS LCD I/F） SDVO 2 TV Out 1 SMBus 1 GPI：4，GPO：4 GPIO Phoenix First BIOS BIOS Windows 2000/Windows XP/Red Hat 注１）Linux 対応 OS RAS 機能 CPU 温度監視，FAN 監視，電圧監視 冷却機構 ヒートスプレッダ 供給電源 消費電力 質量 外形寸法（mm） 12V，5V（スタンバイ）および 3.3V（バックアップ） 最大絶対値 73.2 W 最大絶対値 77.97 W 最大絶対値 87.15 W 最大測定値 32.7 W 最大測定値 37.4 W 最大測定値 53.6 W 255 g 330 g 95（D）×125（W）×18（H） 110（D）× 155（W）× 18（H），DIMM ソケットを除く 注１）Red Hat は米国その他の国で Red Hat Inc. の登録商標又は商標である． PFU Tech. Rev.,16, 2,（11,2005） 13 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 Intel LV Pentium M 738（1.4 GHz） or Pentium M 760（2.0 GHz） VRM FWH BIOS + PXE PLL LPC FSB 400/533 MHz 10/100 Ethernet PHY GPIO/Power Management High speed Link Intel 915GM GMCH IDE（ATA100）× 1 USB 2.0 × 8 Intel ICH6-M SMBus 2.0 AC'97/Intel High Definition Audio PCI 32 bit/33 MHz DDR2 533MHz ス タ ッ キ ン グ コ ネ ク タ Serial ATA × 2 PCI Express x 1 Lane × 4 PCI Express Graphics x 16 Lane × 1 or SDVO DDR2 Memory CRT/TV LVDS SO-DIMM 1 slot 1 GB Max（モデル 110） or DIMM 2 slots 2 GB Max（モデル 150） ●図―７ AM100 シリーズ ブロック図● （Fig.7-AM100 series block diagram） 一方で，低消費電力を特長とした Pentium M を採 ートが無いと開発の成功は難しい．PFU では，お客様 用したことにより，CPU の動作周波数および動作電圧 のスムーズな開発を実現するため，長年の経験を基に手 を動的に変更し，アプリケーションの負荷に応じた最適 厚いサポートを実施している． な性能，消費電力の選択が可能となっている．これによ り低消費電力を実現し，バッテリー駆動時間を延ばし， 熱設計の自由度を高めることが可能となっている． g 豊富な機能 COM Express 規格 インターフェース タイプ 2 の １）評価ボードの提供 お客様によるモジュールの評価やアプリケーション を先行開発するための評価ボードを提供している （図−８参照） ． ２）マニュアルの充実 豊富な機能をサポートしている．PC 機能は全てサポー 充実した内容のマニュアル，およびキャリアボード トしており，組込み機器で必要とされる GPIO 機能等 設計において重要な参考回路図や熱設計の指針を記載 も備えている． したデザインガイドを提供して，お客様の短期開発を PCI Express 等次世代のインターフェースを備えつ つ，PCI や IDE といったレガシーインターフェース機 支援している． ３）ソフトウェアサポート 能も備えることから，インターフェース規格の過渡期に OS および BIOS カスタマイズによる柔軟な対応 おいて，AM100 シリーズを用いて新旧インターフェ に加え，PFU が組込みシステム向けに販売している ースが混在したシステムが構築可能である． また，より高いグラフィックス性能が求められる場 ソフトウェア EmbedWare ／ SysMon シリーズに よりリモートシステム監視・電源制御機能を提供して 合には，PCI Express Graphics に外部グラフィック いる． スコントローラの接続も可能である． ４）開発サービス h 開発サポート PFU は開発製造サービス ProDeS 注５）により，お モジュール製品を利用するために必要となるキャリ アボードを開発する場合，モジュール提供メーカのサポ 14 注５）EMS（Electronics Manufacture Services）を幅広く発展 させた PFU 独自の開発製造サービス． PFU Tech. Rev.,16, 2,（11,2005） 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 ４）計測器 また，小型な点を生かしてポータブル機器，特に LCD 一体型装置への応用が考えられる． 5 むすび システム オン モジュールは短期開発・長期供給・高 信頼性といった組込み市場における用件を満たしつつ， 次世代インターフェースに対応した AM100 シリーズ の投入により幅広い選択が可能となった． ●図―８ 評価ボード外観● （Fig.8-External view of the AM100 development board） 今後も，CPU ・チップセットを強化した COM Express 規格準拠の製品をいち早く開発し，さらにキ ャリアボードやシステム製品を加え，お客様の様々なニ 客様の望むキャリアボードの開発も可能である． ４.３ 適用アプリケーション AM100 は，特に高いシステム性能や高速インター フェースが求められる次のような分野に最適である． １）画像処理（プリンタ装置，医療機器，検査機器） ２）ネットワーク機器 ーズに応える製品を提供する． 参考文献 １）システム オン モジュールホームページ http://www.pfu.fujitsu.com/prodes/product/cardpc/ cardpc.html ２）番井，吉本：組込みコントローラ監視ソフトウェア EmbedWareR/SysMonTM シリーズ，PFU Tech., Rev.,16， 2, pp.51-55（2005）. ３）ストレージ装置 PFU Tech. Rev.,16, 2,（11,2005） 15