Что такое процессорные модули, и какие они бывают: полное руководство

Процессорный модуль - это функционально законченный вычислительный блок с центральным процессором (CPU), памятью, системой ввода-вывода и другими компонентами, необходимыми для его работы. В отличие от просто «процессора» (чипа), - это уже готовая плата или система, которую можно интегрировать в более сложное устройство. Промышленные процессорные модули – это гибкая основа для построения классических и встраиваемых компьютерных систем. Они представляют собой компактный модуль, содержащий все необходимые интерфейсы, упакованные, как правило, в стандартизованный форм-фактор.

Проведем аналогию: процессор (CPU) — это мозг, а процессорный модуль — это голова, в которой уже есть мозг, память и органы чувств (порты ввода-вывода), она готова принимать решения и управлять «телом» (остальной частью устройства).

Процессорный модуль позволяет разработчикам не создавать вычислительную систему с нуля (проектировать сложную материнскую плату, подбирать совместимые компоненты), а использовать уже готовое, отлаженное и компактное модульное решение.

Какие бывают процессорные модули?

Их можно классифицировать по нескольким критериям: по форм-фактору, вычислительной мощности и области применения.

По форм-фактору и способу интеграции

Это самая распространенная классификация.

Одноплатные компьютеры (Single-Board Computer, SBC) - это самостоятельные законченные компьютеры на одной печатной плате. Они имеют все необходимые компоненты и интерфейсы для работы «из коробки», например, Raspberry Pi, Orange Pi. Также обратим ваше внимание, что «Ниеншанц-Автоматика» разработала свой собственный одноплатный компьютер NAPI, подробнее о нем можно почитать в этой статье.

Плюсы: легко начать разработку, низкий порог входа.
Минусы: меньшая гибкость, фиксированная конфигурация.

Компьютер-на-модуле (Computer-on-Module, CoM) или Система-на-модуле (System-on-Module, SoM). Модуль содержит процессор, память, флеш-накопитель и базовые интерфейсы. Но для работы его необходимо установить на базовую (carrier) плату.

Плюсы: высокая гибкость (можно создать уникальную базовую плату под свои нужды), компактность, удобство для серийного производства.
Минусы: более высокий порог входа, нужно проектировать или покупать базовую плату.

Промышленные компьютеры в форм-факторе PC/104, SMARC, Qseven
Это стандартизированные форм-факторы модулей, предназначенные для работы в жестких промышленных условиях (вибрация, температура, влажность). Они также требуют базовой платы.

Плюсы: Высокая надежность, долгосрочная доступность компонентов, стандартизация.
Минусы: Высокая стоимость.

Модули центральных процессоров для серверов (CPU Sockets)
Часто «процессорным модулем» называют сам процессор в сборе с системой охлаждения, который можно заменять без остановки сервера.

По архитектуре и вычислительной мощности

Микроконтроллерные модули (MCU Modules)
Работают на базе простых микроконтроллеров (ARM Cortex-M, AVR, ESP32). Низкое энергопотребление, работают в реальном времени, идеальны для управления датчиками, моторами.

Модули на базе мощных SoC (ARM Cortex-A, x86)
Работают под управлением полноценных ОС (Linux, Android, Windows). Предназначены для сложных задач с графическим интерфейсом, обработки мультимедиа.

По специализации

Универсальные: Raspberry Pi, модули на x86 — подходят для широкого круга задач.

Специализированные:

• Для AI и машинного зрения: NVIDIA Jetson (имеют мощные GPU для нейросетей).
• Для интернета вещей (IoT): модули с сотовыми модемами (4G/LTE, 5G).
• Промышленные: с поддержкой CAN, PROFIBUS, с расширенным температурным диапазоном.

Области применения

Встраиваемые системы (Embedded Systems):

• Медицинское оборудование.
• Промышленная автоматизация (ПЛК, HMI-панели).
• Торговые терминалы, банкоматы.

Интернет вещей (IoT) и «умный дом»:

• Умные датчики и шлюзы.
• Системы автоматизации дома.

Робототехника: Управление роботами, автономными транспортными средствами.

Прототипирование: Изучение электроники и программирования на платформах типа Arduino и Raspberry Pi.

Высокопроизводительные вычисления (HPC) и серверы: Модульные серверные системы в дата-центрах.

Как итог можно сказать, что процессорный модуль — это готовое вычислительное ядро, которое ускоряет и упрощает разработку сложных электронных устройств.

Выбор конкретного типа зависит от задачи:

• Для задач ИИ и компьютерного зрения - специализированные платформы типа NVIDIA Jetson.
• Для создания энергоэффективных и компактных встраиваемых систем - модули формата Q7 и SMARC.
• Для создания производительных встраиваемых систем - модули формата COM Express. Этот формат - самый распространенный на индустриальном рынке.
• Для создания высокопроизводительных устройств серверного уровня - модули форм-фактора COM HPC. Такой форм-фактор - самое производительное решение на рынке.

Мы подготовили каталог, подробно рассказывающий о процессорных модулях, чтобы ориентироваться их типах было проще. ознакомиться можно по ссылке.

В продуктовом портфеле «Ниеншанц-Автоматики» представлен широкий выбор промышленных процессорных модулей, ориентированных на работу в жестких условиях эксплуатации, где требуется высокая надежность. Мы предлагаем решения в различных форм-факторах — от одноплатных компьютеров до систем-на-модуле промышленного исполнения, что позволяет подобрать оптимальную платформу для любой задачи встраиваемой электроники и автоматизации. В том числе в линейку входит отечественный одноплатный компьютер NAPI, внесенный в реестр промышленной продукции Минпромторга РФ, что подтверждает его соответствие требованиям локализации и делает его доступным для проектов с приоритетом на российские разработки.