为了满足航空和国防应用的需要，紧凑、多内核、低功率计算机板正实现越来越高的运算能力/能效比。
越来越成熟和复杂的航空与军事应用催生了对单板计算机(SBC)的新需求。这是因为这些领域的用户有非常苛刻的要求，比如更好的耐用性、更高的可靠性、更大功率性能、更低功耗和更小的外形尺寸。
正因为如此，电路板和系统集成商一直在努力将尽可能多的技术集成到最小的实用型电路板上。一些公司使用商品化的现成(COTS)技术，一些公司则采用多内核设计，在这种设计中一块电路板上可能有多个处理器，而且这些处理器可能来自不同制造商。
设计师还会使用各种操作系统，经常在单块板子上使用多个操作系统，如Unix、Linux、微软的Windows XP Pro和Embedded以及风河系统公司的VxWorks。另外，高速串行总线开始代替较老的并行总线来处理现代SBC上的更高数据速率和更宽带宽通信。
虽然COTS组件已被广泛用于SBC设计，但它们的应用有时还取决于性能要求和设计预算。如果设计预算允许的话，一些性能等级要求非常高的SBC设计可能选用定制组件。
采用前沿高性能处理器的多内核COTS处理技术将彻底变革SBC设计。多内核方法无需为每个应用准备单独的计算机板。它还允许在单块电路板上、并且经常是单个CPU上运行多个应用程序。在许多SBC和插件式夹层卡中可以见到高性能多内核处理器的身影。
多内核COTS处理
这些多内核处理器包括ADI的Sharc和Blackfin；飞思卡尔半导体的8641 PowerPC和8555E；英特尔的Core 2 Duo、Xeon Dual和奔腾；AMD的Turion 64、Operon和Radion HD3650；Sun Microsystems的UltraSPARC IIi和IIIi；PA Semiconductor的1682以及Cavium Networks公司的MIPS64。
由索尼计算机娱乐公司、东芝公司和IBM公司联合开发、由供应商IPV有限公司提供的单元宽带引擎(Cell BE)多内核处理器架构结合了最合适的Power架构和流线型协处理器单元，可以显著地加速多媒体和矢量处理应用以及许多其它形式专用计算的速度(图1)。
图1：IPV的Cell BE处理器的三个主要功能块
耐用性是SBC的航空和国防用户关心的重要参数。由Aitech Defense Systems公司开发的S950 SBC采用3U CompactPCI设计，在全速工作时功耗只有13.5W，休眠模式时功耗小于8W。S950基于的是PowerPC 750FX平台，采用防幅射反熔丝FPGA来保持对存储器的控制，可确保恶劣环境下的数据完整性。
General Micro Systems公司的Premonition CC279也使用了CompactPCI技术。这个6U高、100W的传导冷却式SBC基于用户选择的英特尔的两个四核或双核Xeon处理器(图2)。
图2：General Micro Systems的6U、100W传导冷却式SBC
在SBC设计中使用现场可编程门阵列(FPGA)是另一个正在上升的趋势。FPGA不仅能提供所需的强劲运算及与高速串行总线连接的能力，而且能够方便设计师对老一代FPGA设计的移植工作，且不必担心对无铅器件的要求。
一个SBC可以针对某个特殊功能在电路板上形成一个完整系统。或者几个SBC可以插入象金属箱似的笼架中的背板连接器以实现更高性能。因为它们可以是完全定制的，所以有些SBC可能并不遵守SBC标准。另外，许多特殊功能的夹层卡可以插入SBC，象图形加速器夹层卡、显示和其它类型的夹层控制器卡及存储器夹层卡等。
由Mercury Computer Systems开发的盒状PowerBlock 50产品拥有强大的功能(图3)。这个重量在6磅到10磅间的产品尺寸仅为4x5x6英寸，却可以提供100GFLOPS的处理能力。PowerBlock 50针对对空间和重量有非常严格要求的嵌入式计算应用优化过，它使用的是Cell BE多内核处理器。
图3：Mercury Computer Systems的PowerBlock 50
更高速的串行互连
由于SBC设计师采用如此多不同的处理器、操作系统、外形尺寸和设计架构技术，标准化几乎不存在。然而，在外形尺寸以及板内与板间通信方面,业界正在开展一些重要的标准化工作。
用于SBC的新一代串行链路开始迫不急待地使用更高速的总线互连实现通信。象VPX和XMC等串行总线标准反映出高速串行接口的重要性与日俱增，尤其是交换式矩阵接口，如PCI Express、千兆以太网、串行RapidIO和InfiniBand。HyperTransport是另外一种串行总线，虽然它是在电路板极标准中定义的，但仍具有芯片到芯片间的连接链路。
串行总线具有比并行总线更宽的带宽和更大的吞吐量。另外，它们具有明显高得多的性能水平，是更适合使用多内核设计的现代SBC架构。串行总线还能减少管脚数量，并具有热插拔功能。
不过并行总线具有无需升级到更高速链路传送速率就可实现的1X、2X、4X等的可扩展性。另外，VME总线、CompactPCI、Embedded Technology eXtended (ETX)、PC/104和PC PCI/SA等并行总线以及它们的变种和替代品是用于SBC通信的主流总线标准。
VME可以追溯到20世纪70年代，当时它叫VERSAbus，目前它仍占据着SBC通信总线的主要市场份额。它还在不断发展，从32位、40Mbit/s到64位、80Mbit/s甚至到2eSST 320Mbit/s的实现。
VME国际贸易协会(VITA)的执行总监Ray Alderman表示，VME是一个10亿美元的市场，今年有望再增长10%。VITA一直在推进VPX(VITA46)，它是SBC行业接受的最新规范。VPX于去年得到美国国家标准协会(ANSI)的批准，它在寻求关键嵌入式系统设计所需的解决方案。
VME同时满足以前的6U外形和较新的3U外形尺寸要求。它还完善了主导着常见SBC所用的VME标准。VME和VPX都含有定义了SBC机械和电子参数的基本规范。
VPX标准支持3到100GB/s范围内的数据通信。它可以将一个SBC电路板槽道中处理的功率从目前VME总线槽道的90W(5V)提升到115W(5V)。另外，它允许的功率水平在12V时能达到384W，48V时能达到768W。
VPX支持现有的SBC冷却标准，但它也能通过VITA的耐用增强型设计实现(REDI，前称为VITA48标准)满足更严格的冷却要求。虽然VPX很大程度上兼容VME，但它有一个泰科公司（Tyco）开发的名为MultiGig RT2的新型连接器。
6U电路板包括6个16列7行连接器和1个8列7行RT2连接器。3U电路板有2个16列、7行RT2连接器和1个8列、7行RT2连接器。虽然VITA希望象VPX标准允许的那样使用“混合”机箱来匹配VME电路板，但MultiGig R2电路板无法兼容VME连接器。
GE Fanuc Intelligent Platforms的设计师们相信，重点关注VPX是向目前和未来苛刻环境提供高性能计算的最佳途径。“我们真心希望VME和CompactPCI能继续生产下去，但VPX是许多新设计的优选平台。”SBC全球产品经理Richard Kirk表示。GE Fanuc采用飞思卡尔的8641D双核PowerPC生产了许多VPX SBC，如3U VPX SBC330和6U SBC。
VXS(VME交换式串行)总线整合了事件驱动的VME并行总线和增强性能来支持交换矩阵。VXS支持3到30GB/s的数据通信。与VPX标准一样，它能插入VME总线背板。
据Pentek公司透露，型号4207是业界第一个集成了PowerPC、FPGA和多个高速千兆比特串行接口的VME/VXS SBC(图4)。“4207整合了许多标准接口和协议，是一种特别灵活的单槽道解决方案。”Pentek公司副总裁Rodger Hosking表示。这些接口和协议包括了VXS、PMC、PCI-X、PCI Express、千兆以太网、串行RapidIO、赛灵思的RocketIO以太网收发器、光纤信道、赛灵思的Aurora FPGA技术以及VME6x技术。
图4：Pentek的4207 VME/VXS SBC
与VPX一样，VITA 42或XMC夹层标准是一种开放标准，支持在PCI夹层卡(PMC)上实现高速交换式矩阵互连协议。XMC标准规定了可处理PCI Express和其它高速串行接口(如RapidIO和并行RapidIO)的第5个连接器。
针对严酷的使用环境，ESMexpress(ANSI/VITA 59)夹层标准涵盖了可以插入PMC的SBC和XMC SBC。MEN Micro公司基于PowerPC的ESMexpress XM50 SBC包含高达2GB且具有纠错码(ECC)的焊接型DDR2 SDRAM，以及SRAM和铁电RAM(FRAM)(图5)。XM50还支持USB闪存。
图5：MEN Micro公司基于PowerPC的ESMexpress XM50 SBC
有许多SBC和插入式夹层卡制造商正在推出基于VPX和XMC标准的产品，这些产品都有3U和6U两种外形。这些产品内的SBC同时使用英特尔和PowerPC处理器实现图形、海量存储和交换应用。
Curtiss-Wright Controls Embedded Computing公司的VPX6-185 SBC包含一个双内核PowerPC(也可以选用单内核)，每个CPU内核带64kB一级缓存和1MB二级缓存、最多2GB的DDR2 SDRAM(SDRAM)、最多512MB的闪存和两个高性能存储器控制器(图6)。
图6：Curtiss-Wright Controls Embedded Computing公司的VPX6-185 SBC
VPX6-185 SBC的高性能I/O端口包括四个千兆比特的以太网端口、两个通过PCI-X和PCI Express接口与XMC I/O连接的PCM/XMC端口、一个可选的VME64接口、一个四通道串行I/O和一个双通道USB 2.0 I/O。四通道矩阵端口中的每一个都可以单独设置为串行I/O或PCI Express端口。该SBC支持VxWorks和Linux操作系统、Continuum固件、针对SSL Altivec优化过的DSP库以及用于串行I/O和核间通信的IPC软件。
为了支持VPX和XMC等标准，Quantum 3D公司的Sentiris 5140 XMC夹层图形加速器夹层卡提供256MB的DDR3存储器(图7)。这款基于实时COTS技术的产品使用AMD公司的ATI Radeon HD3650图形处理单元来提供最高的图像质量和性能，Quantum 3D公司表示。
图7：Quantum 3D公司的Sentiris 5140 XMC夹层图形加速器夹层卡
“我们看到，航空应用中的传感器技术变得越来越复杂，它要求SBC和夹层卡放在飞行器中，而不是将数据向下发送到基站，数据下传要求非常宽的带宽。”Quantum 3D公司首席高性能计算机架构设计师Alan Commike表示。
Sentiris 5140由运行Windows XP Pro和XP Embedded以及Linux操作系统的x86架构提供支持。它使用8个或16个通道的PCI用于通信。在16个通道时，它能以4GB/s的速率将数据传送到主机接口。
AdvancedTCA
PCI工业计算机制造商集团(PICMG)开发的AdvancedTCA(高级电信计算架构)和MicroTCA是电信设备采用的两种新型串行总线。
这些开放架构规范允许SBC和夹层卡设计师以改进的热性能充分利用连网拓扑带来的好处以采用低成本的COTS组件。它们通过删除不必要的通信功能支持电路来降低电路板成本。
Emerson Network Power公司的PrAMC-7210处理器模块和10Gbit ATCA处理器刀片夹层卡就很好地利用了这两种总线。PrAMC-7210采用了1.5GHz、4MB二级缓存的英特尔Core 2 Duo处理器，它适合那些充分整合了多内核处理的性能优势和千兆以太网与PCI Express等高速串行传输性能的应用。10Gbit ATCA处理器刀片夹层卡采用了一个16内核的Cavium Octeon处理器，适用于高性能计算应用。
图8：Emerson Network Power公司的PrAMC-7210处理器模块