De COM-HPC-standaard voor modulaire systeemontwerpen begrijpen

De embedded computing-industrie staat op het punt COM-HPC te lanceren als de volgende generatie standaard voor modulaire systeemontwerpen. Aangezien COM-HPC complex is en soms verkeerd wordt begrepen, is er behoefte aan duidelijke informatie.

Sommigen zien de PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) COM-HPC-standaard als een geheel nieuw platform voor geheel nieuwe toepassingen. Het embedded edge-serverkamp, ​​dat enorme workloads in ruwe omgevingen moet beheren, denkt van wel. Het tweede kamp zijn de bestaande COM Express-gebruikers. Ze zijn minder geïnteresseerd in de servermodules en geven in plaats daarvan meer om de clientmodules van de nieuwe COM-HPC-standaard. Ze zijn wat sceptischer over COM-HPC. Ze willen bestaande COM Express-investeringen beschermen en vragen zich af:hoe lang blijft COM Express beschikbaar en moet ik nu overstappen op COM-HPC? Wat zijn de voordelen voor mijn klanten? Voor hen is het van het grootste belang om te weten welke voordelen de COM-HPC-clientmodules bieden en hoe ze verschillen van COM Express. COM-HPC richt zich dus op twee verschillende doelgroepen, elk met verschillende behoeften. Dus welk potentieel hebben de twee nieuwe subspecificaties en hoe verschillen ze?

Open standaardplatform voor embedded servers

Een korte geschiedenis van hoogwaardige
Computer-on-Module-standaarden

Jaar Details 2001Oprichting van de ETX-IG en lancering van de eerste fabrikantonafhankelijke modulestandaard2005PICMG publiceert COM Express 1.0-specificatie2010COM Express 2.0-specificatie2012Verkoop van COM Express-modules overtreft die van ETX2012COM Express 2.1-specificatie2018Oprichting van de PICMG COM-HPC Committee2019Release van de COM-HPC pinout2020Lancering van de COM-HPC-specificatie

Open en fabrikantonafhankelijke Computer-on-Module-standaarden zorgen ervoor dat applicaties een levenscyclus van meerdere decennia hebben. OEM's kunnen vandaag nog steeds nieuwe ETX-modules kopen, ondanks het feit dat deze vormfactor puur gebaseerd is op legacy-bussen. Dankzij achterwaartse compatibiliteit zullen op PCIe gebaseerde standaarden nog langer bestaan.

COM-HPC Server is de eerste echt open standaard voor het ontwikkelen van modulaire embedded rackserver- en boxserverontwerpen voor veeleisende omgevingen. In de klassieke serverwereld van vandaag worden applicatieklare processormodules nog steeds zelden gebruikt, hoewel deze aanpak veel voordelen biedt. Het maakt het bijvoorbeeld heel eenvoudig om specifieke afmetingen en I/O-vereisten te realiseren:ontwikkelaars hoeven alleen het juiste applicatiespecifieke carrierboard te ontwerpen; de complexe kerncomponenten zoals processor, RAM en high-speed interfaces kunnen worden gekocht in een gestandaardiseerde module.

Omdat het ontwerpen van draagborden minder inspanning vereist dan volledig op maat ontwerpen, kan deze aanpak ook efficiënt worden toegepast op kleinere productseries, waar standaardproducten voorheen vaak een onbevredigend maar onvermijdelijk compromis waren. Bovendien verlaagt het modulaire concept ook de kosten van prestatie-upgrades aanzienlijk. Vergeleken met de volledige vervanging van een 1U- of 3U-racksysteem, kan een modulair serverontwerp de kosten van een upgrade met ongeveer 50% verlagen, omdat alleen de module wordt vervangen. Deze aanpak verbetert dus de duurzaamheid van de investering, evenals de beschikbaarheid op lange termijn en de ROI van de oplossingen, omdat ze langer kunnen worden gebruikt.

Meer rekeneenheden in één standaard

Naast de generieke voordelen van een modulair concept, biedt COM-HPC Server ook enkele technische verfijningen die voorheen niet beschikbaar waren in modules in deze vorm. De COM-HPC-standaard is bijvoorbeeld niet beperkt tot x86-processors, maar voorziet expliciet in het gebruik van RISC-processors, FPGA's en algemene grafische verwerkingseenheden (GPGPU's). De eerste voorbeelden met dergelijke alternatieve rekeneenheden werden getoond op de PICMG-stand tijdens Embedded World.

Het is dus voor het eerst mogelijk geworden om heterogene serverontwerpen te ontwikkelen en te implementeren met een breed scala aan reken- en acceleratoreenheden binnen een enkele officiële specificatie en gestandaardiseerd ecosysteem. Om dit te vergemakkelijken, ondersteunt de nieuwe specificatie voor het eerst ook slave-modi voor de modules. OEM's profiteren niet alleen van een vereenvoudigde en efficiëntere design-in, maar kunnen hun knowhow ook effectiever hergebruiken.

Meer ruimte voor meer prestaties

COM-HPC Server-modules zijn bedoeld om edge- en fog-servertoepassingen te voorzien van de krachtige rekenkracht die nodig is voor de nieuwe embedded edge-serverprocessors die halfgeleiderfabrikanten naar verwachting zeer binnenkort zullen lanceren. Het maximaal gespecificeerde vermogensbudget van 300 watt voor COM-HPC Server-modules geeft een indicatie van de te verwachten prestaties, in ieder geval op middellange termijn. Ter vergelijking:de krachtigste COM Express Type 7 Server-on-Module van vandaag laat maximaal 100 watt toe. Schaal dit, rekening houdend met de voorspelde prestatiesprong, en het is gemakkelijk te zien dat COM-HPC in de toekomst in staat zal zijn om immense serverbelastingen te dekken.

Naast dit hoge prestatiepotentieel is het belangrijk hoeveel ruimte de modules bieden voor de processors of alternatieve rekeneenheden. Dit wordt duidelijk als we kijken naar de huidige high-performance CPU's van Intel en AMD met 16 of meer cores of de krachtige FPGA's, die handpalm kunnen zijn. Voor hen biedt COM-HPC Server modulevoetafdrukken van 200 mm x 160 mm (maat E), of 160 mm x 160 mm (maat D), zoals weergegeven in afbeelding 1. Deze relatief grote voetafdrukken vereenvoudigen ook de warmteafvoer, waardoor er ruimte is voor grotere koellichamen die warmteverspilling efficiënter kunnen verdelen.

klik voor grotere afbeelding

Afbeelding 1:COM-HPC Server specificeert twee verschillende footprints:maat E met ruimte voor maximaal 8 DIMM-sockets voor momenteel 1 terabyte RAM, en de 20% kleinere maat D-footprint voor 4 DIMM-sockets. Terwijl COM-HPC Server en Client dezelfde connectoren gebruiken met 2x 400 pinnen, zijn ze op verschillende afstanden van elkaar geplaatst. Dit voorkomt schade door per ongeluk het verkeerde type module te monteren (Bron:congatec).

Meer geheugenprestaties

Met deze grote footprints bieden de COM-HPC Server-modules ook meer geheugenprestaties. Ze hebben voldoende ruimte voor volledige DIMM-geheugenmodules die voldoen aan de hoge geheugenbandbreedte en groottevereisten van micro-, edge- en fog-servers. In de maat E kunnen ze tot 8 DIMM-sockets hosten voor momenteel maximaal 1,0 terabyte geheugen. In de maat D kunnen ze maximaal 4 DIMM-sockets hosten voor momenteel maximaal 512 gigabyte geheugen.

Meer I/O-prestaties

Voor carrier-kaartverbinding definieert COM-HPC Server 8x 25 GbE, evenals 65 PCIe-lanes voor PCI Express Gen 4.0 en Gen 5.0 (Afbeelding 2). Een van deze lanes is gereserveerd voor communicatie met een optionele board management controller (BMC) op het carrier board, terwijl de overige 64 PCIe-lanes kunnen worden gebruikt om randapparatuur aan te sluiten.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 2:De belangrijkste kenmerken van COM-HPC Server-modules:Buitengewoon groot aantal snelle interfaces, uitstekende netwerkbandbreedte en headless serverprestaties (Bron:congatec).

COM-HPC Server biedt daarom extreem brede en krachtige connectiviteit, bijvoorbeeld om extra rekenversnellers zoals GPGPU's, FPGAS en ASICS aan te sluiten - bijvoorbeeld in de vorm van bijpassende COM-HPC-modules - of NVMe-gebaseerde opslagmedia. In totaal profiteren COM-HPC Server-ontwerpen van I/O-prestaties tot 256 Gigabyte/s via PCIe. Er kunnen nog 2x 40 Gigabit/s worden toegevoegd via de twee USB 4.0-interfaces op Thunderbolt 3.0-versies, evenals 2x 20 Gigabit/s via de twee gespecificeerde USB 3.2-interfaces. Vier extra USB 2.0-interfaces ronden het USB-aanbod op COM-HPC Server-modules af. Naast 2x native SATA ondersteunen ze ook eSPI, 2xSPI, SMB, 2x I2C, 2xUART en 12 GPIO's om eenvoudige randapparatuur en standaard communicatie-interfaces te integreren, bijvoorbeeld voor servicedoeleinden. Een extra 10 Gb Ethernet-poort biedt een speciaal communicatiekanaal dat kan worden gebruikt voor beheer op afstand en out-of-band.

Geoptimaliseerd bordbeheer op serverniveau

Een andere primeur in de branche die door COM-HPC is geïntroduceerd, is een speciale systeembeheerinterface. Deze interface wordt momenteel ontwikkeld in de PICMG Remote Management Subcommissie. Het doel is om delen van de feature set gespecificeerd in de intelligent platform management interface (IPMI) beschikbaar te maken voor remote edge server module management. Net als de slave-functie zal COM-HPC daarom ook uitgebreide communicatiefuncties bieden voor beheer op afstand. Dankzij deze functie kunnen OEM's en gebruikers betrouwbaarheid, beschikbaarheid, onderhoudbaarheid en veiligheid (RAMS) garanderen, een veelvoorkomende reeks vereisten voor servers. Voor individuele behoeften kan deze functie worden uitgebreid via de optionele boardmanagementcontroller op het carrierboard. Dit biedt OEM's een uniforme basis voor beheer op afstand die kan worden aangepast aan specifieke vereisten.

COM-HPC Client – ​​groter, sneller, meer

Terwijl de COM-HPC Server-specificatie zich concentreert op volledig nieuwe embedded edge-serverontwerpen, zijn er natuurlijk ook de "klassieke" krachtige embedded systemen, die tot nu toe COM Express Type 6 hebben gebruikt. OEM's vragen zich af of COM-HPC hun bestaande COM Express-ontwerpen overbodig zal maken, wanneer het beste moment is om over te stappen op COM-HPC en welke voordelen COM-HPC voor hen en hun klanten heeft. Om deze vragen te beantwoorden, is het belangrijk om in detail te weten welke functies COM-HPC Client-modules bieden en deze te vergelijken met de COM Express-functies.

Drie maten

In veel opzichten hebben de twee normen meer overeenkomsten dan verschillen. Net als COM Express specificeert COM-HPC Client drie moduleformaten:120 mm x 160 mm (maat C), 120 mm x 120 mm (maat B) en 120 mm x 95 mm (maat A). Dit betekent dat de kleinste COM-HPC Client-voetafdruk vrijwel identiek is aan COM Express Basic, die 125 mm x 95 mm meet. Dit alleen al toont aan dat COM-HPC Client zich boven COM Express bevindt en toepassingen aanspreekt die niet kunnen worden bereikt met COM Express. (Figuur 3).

klik voor grotere afbeelding

Figuur 3:COM Express en COM-HPC Client definiëren beide drie verschillende footprints. Met de kleinste COM-HPC Grootte A die bijna identiek is aan COM Express Basic, is het echter meteen duidelijk dat COM-HPC zich boven COM Express bevindt (Bron:congatec).

Meer kracht

Dit wordt ook weerspiegeld door het ondersteunde stroombudget van 200 watt, wat ongeveer drie keer zoveel is als de krachtigste COM Express Type 6-modules van vandaag. Wat geheugen betreft, terwijl COM-HPC Client en COM Express beide SODIMMS of gesoldeerd geheugen gebruiken, kan COM-HPC meer geheugen herbergen met maximaal 4 SODIMM-sockets. Omdat COM Express nu al in staat is om 96 GBytes te ondersteunen, voldoet het ook aan de hoge geheugenvereisten.

Meer en snellere interfaces

Vanuit het oogpunt van lay-out heeft het belangrijkste verschil tussen COM Express- en COM-HPC-modules betrekking op de connector en het aantal signaalpinnen dat de module verbindt met de toepassingsspecifieke draagkaart, zoals in figuur 4 wordt getoond.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 4:COM-HPC Client en COM Express Type 6-interfaces verschillen voornamelijk in het aantal PCIe-lanes en de bandbreedte, de Ethernet-interfaces en USB-poorten, en de uitgebreide ondersteuning voor beheer op afstand die nog moet worden gespecificeerd ( Bron:congatec).

COM-HPC maakt gebruik van een nieuwe connector die is ontworpen voor de nieuwste high-speed interfaces en al is gespecificeerd voor de hoge kloksnelheden van PCIe 5.0 en 25 Gb/s. COM Express ondersteunt PCIe Gen 3.0 en PCIe 4.0 in compatibiliteitsmodus. Maar natuurlijk moeten eerst embedded processors met PCIe Gen 4.0 beschikbaar komen. Net als COM Express ondersteunt COM-HPC twee connectoren, maar met elk 400 pinnen. Dus met in totaal 800 signaalpinnen heeft COM-HPC bijna twee keer zoveel pinnen als COM Express Type 6-modules met 440 pinnen. Onnodig te zeggen dat dit ook ruimte biedt voor veel meer interfaces.

COM-HPC Client-modules gebruiken deze voor 49 PCIe-lanes naar het carrierboard, waarvan er weer één bedoeld is voor communicatie met de BMC van het carrierboard. Dat zijn twee keer zoveel rijstroken als COM Express Type 6 biedt met maximaal 24 rijstroken. Twee 25 GbE KR Ethernet en maximaal twee 10 Gb BaseT-interfaces zijn ook direct op de module aanwezig. COM Express Type 6 ondersteunt 1x 1 GbE, met de mogelijkheid om verdere netwerkinterfaces via het carrierboard te implementeren.

4x afbeeldingen

De grafische ondersteuning is in beide standaarden identiek; tegelijkertijd onderscheidt deze modules zich van de headless COM Express Server-on-Modules en COM-HPC Server-modules. Beide standaarden ondersteunen tot vier beeldschermen via drie digitale beeldscherminterfaces (DDI) en 1x embedded DisplayPort (eDP). Wat multimedia-interfaces betreft, gebruikt COM-HPC SoundWire in plaats van de HDA-interface die is gespecificeerd voor COM Express. SoundWire is een nieuwe MIPI-standaard die slechts twee banen vereist:klok en data, met een kloksnelheid tot 12.288 MHz. Er kunnen maximaal 4 audiocodecs parallel worden aangesloten via deze twee banen, waarbij elke codec zijn eigen ID ontvangt voor analyse.

Meer USB-bandbreedte plus MIPI-CSI

COM-HPC is voorbereid op de toekomst, ook wat betreft de ondersteunde USB-standaarden, en specificeert vier USB 4.0-interfaces, aangevuld met 4x USB 2.0. Hoewel dit betekent dat COM-HPC-clientmodules vier USB-poorten minder bieden dan COM Express Type 6-modules, die tot 4x USB 3.1 en 8x USB 2.0 kunnen uitvoeren, wordt dit gecompenseerd door meer bandbreedte, aangezien USB 4.0 is ontworpen voor overdrachtssnelheden van maximaal tot 40 Gbit/s. Een ander aantrekkelijk kenmerk van COM-HPC Client-modules is dat ze twee MIPI-CSI-interfaces bieden, waardoor kosteneffectieve cameraverbindingen mogelijk zijn voor situationeel bewustzijn en collaboratieve robotica.

COM-HPC Client biedt verder 2x SATA-interfaces voor het aansluiten van traditionele SSD's en HDD's, die tegenwoordig bijna legacy-apparaten zijn, plus industriële interfaces zoals 2x UART en 12x GPIO. 2x I2C, SPI en eSPI completeren de functieset. Al deze features zijn vergelijkbaar met COM Express Type 6 modules, die in tegenstelling tot COM-HPC als unieke feature een optionele CAN-bus via de connector aanbieden.

Afgaande op de verschillen, kunnen OEM's met op COM Express gebaseerde ontwerpen erop vertrouwen dat ze nog vele jaren goed zullen worden bediend met COM Express. Dit komt ook omdat COM-HPC geen nieuwe systeembus introduceert – in tegenstelling tot de switches van ISA naar PCI en van PCI naar PCI Express. Het is ook de moeite waard om te onthouden dat COM Express-modules ETX pas in 2012 hebben vervangen als de best verkochte modules - ruim 11 jaar na de introductie van ETX. En ETX-modules worden nog steeds verkocht. Omdat PCIe-generaties achterwaarts compatibel zijn met hun voorgangers, blijven ontwerpen met PCIe Gen 3.0 lang in gebruik, zelfs nadat PCIe Gen 4.0 op alle processorniveaus is geïntroduceerd. Dus, zolang de gegeven interfacespecificatie voldoende is, is er absoluut geen noodzaak om te veranderen.

Als u echter meer dan 32 PCIe-lanes nodig hebt, of als u PCIe 4.0 met volledige bandbreedte, USB 4.0 meervoudig 25 Gbit/s Ethernet en/of geavanceerde functies voor extern beheer nodig hebt, is het de moeite waard om over te stappen. Houd u anders aan het motto 'verander nooit een lopend systeem'.