Von der Idee zum Produkt – SoM-Architekturen und die Praxis am Beispiel des Digi ConnectCore MP2

^{(1) TSN (Time-Sensitive Networking): Ein Satz von IEEE-Standards (u. a. IEEE 802.1), der Standard-Ethernet um deterministische Echtzeitfähigkeit, extrem geringe Latenzzeiten und garantierte Bandbreiten erweitert. TSN ermöglicht die zeitkritische Übertragung von Steuerungsdaten und normalen Netzwerktraffic über eine gemeinsame physische Infrastruktur in der Industrieautomation.}

Ein oft unterschätztes Risiko bei Chip-down-Designs ist die Bauteilabkündigung (EOL – End of Life). Fällt ein einzelner Speicherbaustein oder das PMIC weg, erfordert dies ein zeit- und kostenintensives Redesign des gesamten Boards.

SoM-Hersteller wie Digi International federn dieses Risiko ab: Sie bieten Langzeitverfügbarkeiten von 10 bis 15 Jahren und übernehmen das Obsoleszenz-Management intern. Bei Abkündigung von Einzelkomponenten auf dem Modul bleibt die Pin-Kompatibilität und Funktion des SoMs nach außen hin unverändert – das Trägerboard des Kunden muss nicht angepasst werden.

Auf technischer Ebene verlagert das SoM die größten Herausforderungen der modernen Digitaltechnik auf das Modul:

• DDR-Speicher-Routing: Das Routing von Hochgeschwindigkeits-Parallelbussen (DDR4/LPDDR4) stellt extreme Anforderungen an Längenabstimmung (Length Matching), Impedanzkontrolle und Signalintegrität. Fehler führen zu sporadischen Systemabstürzen im Feld. Auf dem SoM ist diese Anbindung bereits optimal gelayoutet und im Labor validiert.
   
• Entflechtung & Layer-Anzahl: Für die Entflechtung hochpoliger BGA-Gehäuse (Ball Grid Array) mit kleinen Pin-Pitches sind aufwendige High-Density-Interconnect-Leiterplatten mit Microvias erforderlich. Ein SoM bricht diese komplexen Signale auf benutzerfreundlichere Gehäuseformen oder größere Pin-Abstände herunter. Das Trägerboard kann dadurch oft auf kostengünstigen 4- oder 6-Layer-Standard-Platinen realisiert werden².
   
• Power-Management: Die Versorgungsreihenfolge (Power-Up-Sequenzierung) moderner SoCs und MPUs ist hochgradig kritisch. Falsche Spannungsanstiegszeiten können Bausteine dauerhaft schädigen. Das integrierte Power-Management-IC (PMIC) auf dem SoM garantiert eine saubere und sichere Spannungsversorgung aller Kernkomponenten.

Wenn das Zielprodukt Drahtloskommunikation wie Wi-Fi 6 oder Bluetooth 5.4 benötigt, wird die EMV- und Funk-Zertifizierung zum Nadelöhr der Produktentwicklung.

• Zertifizierungsrisiko: HF-Designs reagieren extrem empfindlich auf Platinenlayout, Gehäusematerialien und Abstrahlverhalten. Ungewollte Störstrahlungen im EMV-Labor führen direkt zu zeit- und kostenintensiven Entwicklungsschleifen.
   
• Vorzertifizierte Module: SoMs mit integrierten Funkkomponenten bringen werkseitige Vorzertifizierungen (z. B. CE für Europa, FCC für die USA, TELEC für Japan) mit. Bei richtiger Handhabung des Trägerboard-Designs können diese Funk-Zertifizierungen übernommen oder in vereinfachten Prüfverfahren (Modular Approval³)  auf das Gesamtsystem übertragen werden. Dies spart pro Marktregion mittlere fünfstellige Euro-Beträge und viele Wochen im Zulassungsprozess.

Aufbauend auf den wirtschaftlichen Vorteilen von SoM-Architekturen zeigt sich der tatsächliche Innovationssprung in der konkreten Silizium- und Modularchitektur. Das Digi ConnectCore MP2 demonstriert eindrucksvoll, wie ein modernes Industrie-Modul den Spagat zwischen Hochleistungs-Computing, deterministischer Echtzeitverarbeitung, Edge-KI und extrem niedriger Leistungsaufnahme meistert.

1. Prozessor-Herzstück: Heterogene Multicore-Architektur

Als Rechenplattform dient der Mikroprozessor STM32MP25 von STMicroelectronics, der ein asynchrones heterogenes Multiprocessing (AMP) ermöglicht. Diese Aufteilung erlaubt eine klare Trennung von rechenintensiven Aufgaben und zeitkritischer Steuerung:

• Application Domain (2× Arm Cortex-A35 @ 1,2 GHz): Die beiden 64-Bit-Cortex-A35-Kerne stellen die Rechenleistung für grafikintensive Benutzeroberflächen (HMI), Netzwerkkonnektivität, Datenverarbeitung und komplexe Linux-basierte Software-Stacks bereit. Dank ihrer modernen Architektur bieten sie eine hohe Energieeffizienz und eignen sich für anspruchsvolle Embedded-Anwendungen. 
   
• Real-Time Domain (Arm Cortex-M33 @ 400 MHz): Der integrierte Cortex-M33-Mikrocontroller mit Arm TrustZone übernimmt deterministische Echtzeitaufgaben wie Motorsteuerungen, Sensorerfassung oder Feldbuskommunikation. Er kann unabhängig von den Linux-Anwendungen auf den Cortex-A35-Kernen arbeiten und gewährleistet dadurch kurze, vorhersehbare Reaktionszeiten ohne die für Linux typischen Scheduling-Latenzen. 
   
• System-/Low-Power-Domain (Arm Cortex-M0+): Ein zusätzlicher, besonders stromsparender Cortex-M0+ verwaltet Energiezustände, Power-Management und ausgewählte Systemfunktionen im Deep-Sleep-Betrieb. Dadurch lassen sich Energieverbrauch und Reaktionsfähigkeit des Gesamtsystems auch im Niedrigleistungsmodus optimieren.

2. Edge-AI & Multi-Sensorik: KI direkt auf dem Modul

Für moderne IIoT-Geräte reicht die reine Datenerfassung nicht mehr aus; Muster- und Fehlererkennung müssen ohne Latenz und ohne permanente Cloud-Anbindung direkt am Sensor erfolgen.

Dedizierte NPU (Neural Processing Unit)

Mit einer Rechenleistung von 1,2 TOPS (Tera Operations Per Second) entlastet die integrierte NPU die Cortex-A35-Hauptprozessoren vollständig von mathematischen Tensor-Operationen⁴. Sie ermöglicht visuelle Qualitätskontrollen, vorausschauende Wartung (Predictive Maintenance) über Schwingungsanalysen oder akustische Anomalie-Erkennungen direkt auf dem Edge-Gerät. KI-Modelle aus Frameworks wie TensorFlow Lite oder ONNX sowie aus PyTorch exportierte Modelle lassen sich mithilfe der ST Edge AI Toolchain für die integrierte NPU optimieren und kompilieren.

Image Signal Processor (ISP) & Video-Pipeline

Für Vision-Anwendungen verfügt das Modul über einen integrierten Lite-ISP (Image Signal Processor). Dieser übernimmt die hardwarebeschleunigte Verarbeitung der Rohdaten von direkt angebundenen MIPI-CSI-Kamerasensoren. Zu seinen Funktionen gehören unter anderem die Umwandlung von Raw-Bayer-Daten in RGB (Demosaicing), Farbkonvertierung zur Anpassung an Sensor und Beleuchtung, Kontrastverbesserung, Belichtungsregelung sowie die Erfassung von Bildstatistiken. Dadurch wird die CPU entlastet und eine effiziente Bildverarbeitung mit bis zu 1080p bei 60 Bildern pro Sekunde oder der parallele Betrieb von zwei Kamerastreams ermöglicht.

3. Industrielles Networking & Schnittstellen

Im Industrie-4.0-Umfeld entscheidet die Konnektivität über den Systemnutzen. Das ConnectCore MP2 ist für die nahtlose Brücke zwischen IT- und OT-Welten ausgelegt:

• Time-Sensitive Networking (TSN): Über zwei integrierte Gigabit-Ethernet-Controller mit TSN-Unterstützung garantiert das Modul synchrone, deterministische Datenübertragung über Standard-Ethernet-Netzwerke – eine Grundvoraussetzung für die Konvergenz von Steuerung und Cloud-Kommunikation.
   
• Peripherie-Vielfalt: Neben CAN-FD für die Automatisierungstechnik stellt das Modul High-Speed-Schnittstellen bereit: PCIe Gen2 für die Anbindung externer Beschleuniger oder 5G-Modems, USB 3.0 sowie versatile Display-Ausgänge (MIPI-DSI, LVDS).
   
• Wireless-Konnektivität: Optional ist das SoM mit vorzertifiziertem Wi-Fi 6 (802.11ax) und Bluetooth 5.4 ausgestattet. Wi-Fi 6 ermöglicht höhere Datenraten und eine effizientere Kommunikation in Umgebungen mit vielen gleichzeitig aktiven Geräten. Funktionen wie OFDMA und Target Wake Time (TWT) verbessern dabei die Netzwerkeffizienz und reduzieren den Energieverbrauch.

^{(2) Die erforderliche Lagenzahl des Carrier-Boards hängt von Schnittstellenumfang, Signalgeschwindigkeit und Layout-Anforderungen ab. Durch die bereits auf dem SoM realisierten kritischen Verbindungen kann das Carrier-Board jedoch deutlich einfacher ausgelegt werden; je nach Anwendung sind beispielsweise 4–6 Lagen möglich.}
(^{3) Modular Approval (Vereinfachtes Prüfverfahren): Ein regulatorisches Zulassungsverfahren (z. B. nach FCC oder CE) für vorzertifizierte Funkmodule. Da die Funkkomponente (z. B. Wi-Fi/Bluetooth) bereits eigenständig alle HF- und EMV-Standards erfüllt, entfallen für das Gesamtsystem aufwendige Wiederholungsprüfungen der Funkeigenschaften. Dies reduziert die Zertifizierungskosten und die Freigabezeit des Endgeräts drastisch.}

^{(4) Tensor-Operationen: Mathematische Berechnungen (wie Matrixmultiplikationen oder Faltungen) auf mehrdimensionalen Datenfeldern (Tensoren). Sie bilden das Fundament künstlicher neuronaler Netze (KI/Deep Learning) und werden von spezialisierten KI-Beschleunigern (NPUs) hochparallel und extrem energieeffizient verarbeitet.}

1. Hardware Root of Trust & Secure Boot: Das System verifiziert beim Start jede Software-Schicht (vom U-Boot-Bootloader über den Linux-Kernel bis hin zur Applikation) mittels kryptografischer Signaturen. Manipulationen am Code unterbinden den Bootvorgang automatisch.
    
2. Verschlüsselter Speicher (Encrypted Storage): Sensible Daten, Kundenschlüssel und geistiges Eigentum (IP) werden auf dem Flash-Speicher über im Chip verankerte Hardware-Schlüssel abgesichert.
    
3. Resource Isolation (Arm TrustZone): Kritische Systemressourcen, Kryptokey-Speicher und Security-Funktionen werden physisch vom normalen Linux-Betriebssystem getrennt ausgeführt. Selbst bei einer Kompromittierung der Linux-Applikation bleibt der Sicherheitskern geschützt.
    
4. Tamper Detection: Integrierte Manipulationserkennungen (z. B. Gehäuseöffnung, Spannungs- oder Temperaturschwankungen) ermöglichen es dem System, im Angriffsfall aktiv Reaktionen auszulösen (z. B. lückenloses Löschen von Schlüsseln).

3. Lifecycle Management & Cloud-Integration

Die Betriebsdauer von Industrie- und Medizintechnikgeräten erstreckt sich oft über 10 bis 15 Jahre. Ein „Deploy and Forget“-Ansatz ist in Zeiten permanenter Cyber-Bedrohungen nicht mehr tragbar.

Über die Plattform Digi ConnectCore Cloud Services bietet der Hersteller eine fertige Infrastruktur für das Flotten- und Geräte-Management:

• Sichere OTA-Updates (Over-the-Air): Software-Fixes, Security-Patches und Funktions-Updates lassen sich signiert und ausfallsicher (fail-safe A/B-Updates) aus der Ferne auf verteilte Geräte einspielen.
• Continuous Health Monitoring: Das Modul übermittelt Telemetriedaten, Systemzustände und Security-Events an ein zentrales Dashboard, um Anzeichen von Verschleiß oder Angriffsversuchen frühzeitig zu erkennen.
• Langzeit-Software-Support: Digi stellt über den gesamten Produktlebenszyklus hinweg gepatchte Linux-Kernel und Sicherheits-Updates bereit. Dies entlastet das eigene Entwicklerteam von der dauerhaften Pflege des Basis-Betriebssystems.

1. Systemanforderungen des Referenz-Szenarios

Das Zielsystem erfordert die simultane Bewältigung von drei zentralen Aufgabenfeldern, die traditionell getrennte Hardware-Baugruppen erforderten:

1. Visuelle Qualitätskontrolle am Band: Erkennung von Beschädigungen oder Fehlplatzierungen in Echtzeit mittels Kamera.
    
2. Echtzeit-Guss- und Schnittsteuerung: Deterministische Ansteuerung der Aktoren über den Feldbus.
    
3. Moderne Bedienoberfläche & Remote-Zugriff: Ruckelfreies Touch-Display (1080p), verschlüsselte Cloud-Anbindung und Erfüllung der CRA-Sicherheitsstandards.

2. Praktische Umsetzung auf dem Digi ConnectCore MP2

Visuelle Inspektions-Pipeline (Lite-ISP + NPU)

Anstatt eine teure Smart-Kamera mit integrierter Bildverarbeitung einzusetzen, greift das Entwicklerteam auf ein günstiges CMOS-Kameramodul ohne eigenen ISP zurück.

• Die Kamerasignale fließen über die MIPI-CSI-Schnittstelle direkt in den Lite-ISP des STM32MP25. Dort erfolgt das Demosaicing (RawBayer⁵ -zu-RGB) und die automatische Belichtungsanpassung hardwareseitig, ohne die Hauptprozessoren zu belasten.
   
• Die vorverarbeiteten Bilddaten werden direkt an die NPU (1,2 TOPS⁶) übergeben. Ein quantisiertes MobileNet-Modell⁷  führt die Fehlerklassifizierung mit über 30 Bildern pro Sekunde durch.
   
• Erst bei Erkennung eines fehlerhaften Objekts schlägt die NPU Alarm und übergibt die Koordinaten an die Echtzeitdomäne.

Deterministische Aktorik (Cortex-M33)

Während Linux auf den Dual-A35-Kernen (1,2 GHz) das HMI und die Netzwerktreiber ausführt, steuert der Cortex-M33 (400 MHz) über ein RTOS die CAN-FD- und TSN-Ethernet-Schnittstellen.

• Sobald die NPU ein Ausschussteil meldet, berechnet der Cortex-M33-Kern den genauen Auswurfzeitpunkt und steuert den Pneumatik-Aktor mikrosekundengenau an.
• Der Vorteil: Ein Absturz oder Update des Linux-Betriebssystems (z. B. durch ein OTA-Update) unterbricht zu keinem Zeitpunkt die kritische Steuerung der Maschine.

Sicherheit & Wartung (TrustFence & Cloud)

Über das integrierte Digi TrustFence wird sichergestellt, dass das Gerät gegen unbefugte Zugriffe im Fabriknetzwerk geschützt ist:

• Die Firmware ist kryptografisch signiert (Secure Boot); unbefugt modifizierte Anwendungssoftware verweigert den Start.
   
• Über die Digi ConnectCore Cloud Services spielt der Maschinenbauer globale Firmware-Patches aus der Ferne ein und überwacht den Systemzustand (System Health) der ausgelieferten Anlagen weltweit.

3. Der Design-In-Workflow: Von der Evaluierung zur Serie

Der Entwicklungszyklus teilt sich beim Einsatz des ConnectCore MP2 in drei effiziente Phasen:

1. Evaluierungsphase (ca. Woche 1–4):
   Das Entwicklungsteam startet auf dem offiziellen Digi ConnectCore MP2 Evaluation Kit. Erste KI-Modelle werden über die ST-Edge-AI-Toolchain auf die NPU portiert, während das Software-Team die HMI-Prototypen unter Digi Embedded Yocto aufbaut.
    
2. Carrier-Board-Design (ca. Woche 5–12):
   Da MPU, RAM, PMIC und Funk bereits auf dem SoM integriert sind, beschränkt sich das Design des Kunden-Carrier-Boards auf die Spannungsversorgung, Steckverbinder und Schnittstellen-Treiber. Das Board-Design gelingt bei einem relativ überschaubaren Design und guter Planung auf einer kostengünstigen 4-Layer-Standard-Platine.
    
3. Prototyping & Serienanlauf (ca. Woche 13–24):
   Die SoMs werden im Standard-SMD-Reflow-Verfahren (SMTplus) direkt auf das Carrier-Board gelötet. Die Vorzertifizierung des Wi-Fi-6/Bluetooth-Moduls verkürzt die EMV- und Funk-Freigabeprozesse drastisch.

^{(5) RawBayer (Bayer-RAW): Digitales Rohdatenformat von Bildsensoren mit Bayer-Filter. Pro Pixel wird nur der Helligkeitswert einer Farbe erfasst. Die Verteilung folgt dem menschlichen Sehvermögen, das Helligkeit und Details vorrangig über Grün wahrnimmt: Das Sensorraster besteht zu 50 % aus grünen sowie zu je 25 % aus roten und blauen Pixeln. Die fehlenden Farbinformationen müssen im Post-Processing aus Nachbarpixeln berechnet werden (Demosaicing).}

^{(6) 1,2 TOPS (Tera Operations Per Second): Maßeinheit für KI-Rechenleistung. 1,2 TOPS entsprechen 1,2 Billionen Rechenschritten pro Sekunde. Um diese Datenmenge in einer Sekunde manuell zu berechnen, müsste die gesamte Weltbevölkerung (ca. 8 Mrd. Menschen) zeitgleich etwa 150 Rechenaufgaben pro Sekunde lösen. In der Praxis erlaubt diese Leistung extrem stromsparenden Edge-KI-Chips (z. B. in Kameras oder Sensoren) die lokale Echtzeit-Bildverarbeitung.}

^{(7) Ein quantisiertes MobileNet-Modell ist ein für Embedded-KI optimiertes neuronales Netzwerk, dessen Gewichte und Berechnungen auf eine geringere Zahlenpräzision (typischerweise INT8) reduziert wurden. Dadurch sinken Speicherbedarf und Energieverbrauch, während die Inferenzgeschwindigkeit auf der integrierten NPU deutlich steigt. Diese Optimierung macht MobileNet zu einer häufig eingesetzten Architektur für Edge-AI-Anwendungen wie Bildklassifizierung und Objekterkennung auf ressourcenbeschränkten Embedded-Systemen.}

Das SoM-Paradigma auf den Punkt gebracht

Die Anforderungen an moderne Industrie- und Edge-Geräte haben eine Komplexität erreicht, die mit klassischen Chip-down-Designs kaum mehr wirtschaftlich und fristgerecht bewältigt werden kann. Der Wandel verlangt nach einer Architektur, die rechenintensive Edge-KI, deterministische Echtzeitsteuerung, erweiterte Vernetzung und lückenlose Cyber-Sicherheit auf engstem Raum vereint – ohne dabei das Marktfenster (Time-to-Market) zu gefährden.

Das Digi ConnectCore MP2 adressiert genau diesen Paradigmenwechsel. Auf Basis des heterogenen⁸  STMicroelectronics STM32MP25 vereint das Modul:

• Asynchrones Multi-Core Computing: Dual Arm Cortex-A35 (1,2 GHz) für grafikintensive Linux-Anwendungen gepaart mit einem Cortex-M33 (400 MHz) für latenzfreie Echtzeitaufgaben und einem Cortex-M0+ für intelligentes SmartRun⁹ -Power-Management.
   
• Integrierte Vision- & KI-Pipeline: Eine dedizierte NPU mit 1,2 TOPS in Kombination mit einem Lite-ISP, der kostengünstige CMOS-Kamerasensoren ohne eigenen Bildprozessor direkt über MIPI-CSI anbindet und wesentliche Pre-Processing-Schritte (Demosaicing, Belichtung, Kontrast) hardwareseitig übernimmt.
   
• Industrielle High-Speed-Vernetzung: Zukunftsfähige IT/OT-Anbindung über Dual Gigabit Ethernet mit TSN (Time-Sensitive Networking), CAN-FD, PCIe Gen2, USB 3.0 (Typ C) sowie ein vorzertifiziertes Funkmodul für Wi-Fi 6 (802.11ax) und Bluetooth 5.4.
   
• Durchdachte Hardware-Fertigung: Der verlötbare SMTplus-Formfaktor (30 × 30 mm LGA mit 333 Pads) macht teure, fehleranfällige Board-to-Board-Steckverbinder überflüssig, bietet maximale Vibrationstoleranz im erweiterten Temperaturbereich (-40 °C bis +85 °C) und ermöglicht zudem, einen Teil der Verlustleistung über ein Masse-Pad-Netzwerk effizient in die Kupferlagen des Carrier-Boards abzuleiten. Dadurch kann die thermische Anbindung auch bei vergleichsweise einfachen 4-Layer-Carrier-Boards unterstützt werden.

^{(8) Heterogene Architektur (STM32MP25): Kombination unterschiedlicher Prozessorkerne auf einem Chip (64-Bit ARM Cortex-A35 für Linux und 32-Bit Cortex-M33 für Echtzeitsteuerung) ergänzt durch spezialisierte KI- (NPU) und Grafikbeschleuniger (GPU).}

^{(9) System-/SmartRun-Domain (Arm Cortex-M0+): Der integrierte Cortex-M0+ bildet die SmartRun-Domain des STM32MP25. Er übernimmt Energieverwaltung, Systemüberwachung sowie ausgewählte Low-Power-Funktionen und kann einfache Aufgaben auch dann ausführen, wenn die Cortex-A35- und Cortex-M33-Kerne deaktiviert sind. Dadurch wird der Energieverbrauch insbesondere im Standby- und Deep-Sleep-Betrieb deutlich reduziert.}

1. Entwicklungsbeschleunigung statt Pin-Out-Chaos: Das Smart IOMux Tool verhindert Multiplexing-Fehler beim Layout des Trägerboards im Vorfeld. Zudem erlaubt das ConnectCore MP2 Development Kit – inklusive MikroE Click Board™ Adaptern und direktem Kamera-Support – ein Proof-of-Concept innerhalb weniger Tage.
    
2. CRA-Readiness out-of-the-box: Durch die Kombination des Hardware-Sicherheits-Frameworks Digi TrustFence mit den Digi ConnectCore Security Services erhalten OEMs die notwendige Infrastruktur, um die Anforderungen des EU Cyber Resilience Act (CRA) ohne eigenen Kryptographie-Entwicklungsaufwand zu erfüllen.
    
3. Nachhaltige Betriebssicherheit & TCO: Während der Markt oft nur 1 Jahr Hardware-Garantie bietet, unterstreicht Digi die Zuverlässigkeit der SMTplus-Technologie mit 3 Jahren Hardware-Garantie. Zusammen mit der garantierten Langzeitverfügbarkeit von 10+ Jahren und der Cloud-Anbindung für Remote-Updates (Digi ConnectCore Cloud Services) sichert das System den Produktlebenszyklus nachhaltig ab.

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• Design-In & System-Architektur: Unterstützung bei der Hardware-Auslegung, Carrier-Board-Überprüfung und Abstimmung der Systemkomponenten.
• Muster- & Kit-Beschaffung: Schneller Zugriff auf das Digi ConnectCore MP2 Development Kit sowie Evaluierungs-Hardware für Prototypenbau und Tests.
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Vor der Festlegung auf eine Modul-Plattform sollten Produktverantwortliche und Entwicklungsleiter folgende Kernfragen prüfen:

Checkliste: System-on-Module (SoM)

Transparenzhinweis: Bei der Erstellung dieses Beitrags kam KI-Unterstützung für die Texterstellung und -optimierung zum Einsatz. Der Artikel wurde vor der Veröffentlichung von unserer Redaktion sorgfältig geprüft und freigegeben.