COM‑HPC: De volgende generatie open standaard voor modulair embedded systemen

Embedded computing staat op het punt COM‑HPC te omarmen, de next-generation open standaard voor modulaire systeemontwerpen. Omdat de architectuur complex en vaak misbegrepen is, is duidelijke begeleiding essentieel.

Stakeholders bekijken COM‑HPC door twee lenzen. De embedded edge-server community ziet het als een platform voor high-performance, robuuste workloads, terwijl bestaande COM Express gebruikers zich richten op client modules en hun evolutie. Zij vragen zich af of ze nu moeten overstappen en welke concrete voordelen de nieuwe standaard levert.

Open standaard platform voor embedded servers

Een korte geschiedenis van high-performance
Computer-on-Module standaarden

Jaar Details

2001 Stichting van de ETX‑IG en lancering van de eerste fabrikant-onafhankelijke module standaard

2005 PICMG publiceert COM Express 1.0 specificatie

2010 COM Express 2.0 specificatie

2012 Verkoop van COM Express modules overschrijdt die van ETX

2012 COM Express 2.1 specificatie

2018 Stichting van het PICMG COM‑HPC Comité

2019 Release van de COM‑HPC pinout

2020 Lancering van de COM‑HPC specificatie

Omdat Computer-on-Module (CoM) standaarden open en vendor-agnostisch zijn, genieten producten erop gebaseerd multi-decennia levenscycli. OEMs kunnen vandaag nog legacy ETX modules bestellen, en PCIe-gebaseerde standaarden beloven nog langere relevantie door backward compatibiliteit.

COM‑HPC Server is de eerste echte open standaard voor modulaire embedded rack- en box-server ontwerpen in harde omgevingen. In het huidige klassieke serverlandschap worden toepassingsklare processormodules nog zelden benut, terwijl ze significante voordelen ontgrendelen.

Door processoren, geheugen en high-speed interfaces in een enkele, gestandaardiseerde module te leveren, kunnen ontwerpers zich richten op het afstemmen van het carrier bord op precise grootte en I/O eisen. Deze benadering stroomlijnt ontwerptijd, versnelt time-to-market, en verlaagt productiekosten – bijzonder voor small-batch producten waar een volledig custom ontwerp onbetaalbaar zou zijn.

Omdat alleen de module wordt gewisseld tijdens een upgrade, kan de kosten met ongeveer 50% worden gekapt ten opzichte van een volledige vervanging van een 1U of 3U rack-systeem. Het resultaat is een duurzamere investering en een uitgebreide return on investment over de levenscyclus van het product.

Naast de generieke voordelen introduceert COM‑HPC Server technische verfijningen die eerder niet in deze vormfactor beschikbaar waren. De specificatie is niet beperkt tot x86 CPU's; het ondersteunt expliciet RISC processoren, FPGA's en GPGPU's. Eerste monsters met deze alternatieve compute units werden getoond op Embedded World 2023.

Voor het eerst kunnen OEMs heterogene serverarchitecturen ontwerpen die meerdere compute en accelerator typen combineren binnen een enkel, officieel gespecificeerd ecosysteem. De specificatie definieert ook een slave-modus voor modules, wat ontwerpers nog meer flexibiliteit geeft om legacy componenten te integreren.

COM‑HPC Server modules richten zich op edge en fog servers die de high-performance compute kracht van aankomende processoren vereisen. Met een maximaal stroomverbruik van 300 W belooft de standaard prestatieniveaus ver boven de vandaag 100 W-ge-limiteerde COM Express Type 7 modules. Gecombineerd met de verwachte prestatiesprongen van next-generation CPU's, is COM‑HPC klaar om enorme serverlasten aan te kunnen.

Grote footprints vereenvoudigen koeling en maken krachtige CPU's of FPGA's mogelijk. COM‑HPC Server biedt twee footprints: Size E (200 mm × 160 mm) met tot acht DIMM-sockets voor 1 TB RAM, en Size D (160 mm × 160 mm) met vier DIMM-sockets voor 512 GB. De onderstaande figuur illustreert de twee formaten.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 1: COM‑HPC Server specificeren twee footprints—Size E met tot acht DIMM-sockets voor 1 TB geheugen, en Size D met vier sockets voor 512 GB. De connector-layout verschilt om per ongeluk mis-mounting te voorkomen (Bron: congatec).

De uitgebreide footprints staan volledige DIMM-modules toe, wat de bandbreedte en capaciteit levert die vereist zijn voor micro-, edge- en fog-servers. Size E ondersteunt tot 8 DIMMs (≈ 1 TB), terwijl Size D tot 4 DIMMs (≈ 512 GB) ondersteunt.

COM‑HPC Server definieert 8 × 25 GbE poorten en 65 PCIe lanes (Gen 4.0/5.0). Een lane is gereserveerd voor de optionele board-management controller; de overige 64 lanes voeden peripherie-apparaten, wat I/O-doorvoer van tot 256 GB/s mogelijk maakt.

Met zijn uitgebreide I/O-matrix kan COM‑HPC Server accelerators hosten – GPGPU's, FPGA's, ASIC's – evenals NVMe-opslag. Twee USB 4.0 (40 Gb/s) poorten op de Thunderbolt 3.0 interface en twee USB 3.2 (20 Gb/s) poorten complementeren de PCIe lanes, terwijl additionele USB 2.0, SATA, eSPI, SPI, SMB, I²C, UART, en GPIO interfaces de featureset afronden. Een toegewezen 10 GbE poort ondersteunt remote management.

COM‑HPC introduceert een toegewijde systeem-management interface, in ontwikkeling door het PICMG Remote Management Subcommittee. Het brengt IPMI-afgeleide features voor remote edge-server module management, inclusief betrouwbaarheid, beschikbaarheid, onderhoudbaarheid en veiligheid (RAMS). OEMs kunnen functionaliteit uitbreiden via een optionele board-management controller op het carrier bord.

COM‑HPC Client – Groter, Sneller, Meer

Terwijl COM‑HPC Server nieuwe embedded edge-server ontwerpen target, domineren de "klassieke" high-performance embedded systemen – historisch gebaseerd op COM Express Type 6 – nog steeds veel markten. OEMs vragen zich natuurlijk af of COM‑HPC hun bestaande ontwerpen verouderd maakt, wanneer ze moeten switchen, en welke voordelen ze voor klanten kunnen verwachten.

Drie Formaten

Beide standaarden definiëren drie moduleformaten. COM‑HPC Client gebruikt 120 mm × 160 mm (Size C), 120 mm × 120 mm (Size B), en 120 mm × 95 mm (Size A). De kleinste footprint is bijna identiek aan COM Express Basic (125 mm × 95 mm), wat aantoont dat COM‑HPC boven COM Express zit en toepassingen target die buiten zijn bereik vallen.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 3: COM Express en COM‑HPC Client delen drie footprints; de kleinste COM‑HPC Size A is virtueel identiek aan COM Express Basic, illustrerend de hogere positionering van COM‑HPC (Bron: congatec).

Meer Vermogen

De specificatie toestaat een 200 W stroomverbruik – ruwweg drie keer de limiet van de krachtigste COM Express Type 6 modules van vandaag. Beide standaarden ondersteunen SODIMM of gesoldeerd geheugen; COM‑HPC Client kan tot vier SODIMM-sockets hosten, wat grotere geheugencapaciteiten mogelijk maakt terwijl COM Express al tot 96 GB ondersteunt.

Meer en Snellere Interfaces

Het cruciale verschil tussen de twee standaarden ligt in de connector en pin-aantal. COM‑HPC Client introduceert een 400-pin connector (twee connectors voor een totaal van 800 pijn), bijna het dubbele van de 440 pijn van COM Express Type 6. Dit extra pin-aantal accommodeert meer PCIe lanes, hogere-snelheid Ethernet, en additionele USB-poorten.

COM‑HPC Client biedt 49 PCIe lanes naar het carrier bord – het dubbele van de 24 lanes beschikbaar in COM Express Type 6 – terwijl één lane toegewijd blijft aan de board-management controller. Twee 25 GbE KR Ethernet-poorten en tot twee 10 Gb Base‑T poorten zijn direct op de module geïntegreerd. In tegenstelling biedt COM Express Type 6 een enkele 1 GbE poort met optionele additionele interfaces op het carrier bord.

Grafisch en Audio

Beide standaarden ondersteunen tot vier displays via drie DDI-poorten en één embedded DisplayPort. COM‑HPC vervangt de HDA-audio-interface door SoundWire, een MIPI-gebaseerde standaard die slechts twee lanes (klok en data) vereist en tot vier audio-codecs ondersteunt.

USB Bandbreedte en MIPI‑CSI

COM‑HPC Client levert vier USB 4.0 poorten (40 Gb/s) en vier USB 2.0 poorten, wat hogere geaggregeerde bandbreedte biedt dan COM Express Type 6's 4 × USB 3.1 en 8 × USB 2.0. Het voegt ook twee MIPI‑CSI interfaces toe voor low-cost camera connectiviteit, nuttig voor situatiebewustzijn en collaboratieve robotica.

Overige interfaces mirroren COM Express: twee SATA-poorten, 2 × UART, 12 × GPIO, 2 × I²C, 2 × SPI, en eSPI. COM Express bevat optionele CAN-bus op de connector, een feature afwezig in COM‑HPC.

klik voor grotere afbeelding

Figuur 4: COM‑HPC Client en COM Express Type 6 interfaces verschillen voornamelijk in aantal PCIe lanes, Ethernet-poorten, USB-poorten, en de nog-te-specificeren remote-management ondersteuning (Bron: congatec).

OEMs die COM Express gebruiken kunnen gerust zijn dat de standaard nog vele jaren levensvatbaar blijft. PCIe-generaties zijn backward compatibel, en ontwerpen gebaseerd op Gen 3.0 zullen lang na de aankomst van Gen 4.0 servicebaar blijven. Als uw huidige interfacespecificaties aan uw behoeften voldoen, is er geen urgentie om te migreren.

Als uw applicaties meer dan 32 PCIe lanes vereisen, full-bandwidth PCIe 4.0, meerdere 25 Gb/s Ethernet-poorten, of geavanceerde remote-management features, is COM‑HPC de logische keuze. Anders geldt nog steeds het spreekwoord "never change a running system".