COM-HPC™: escalabilidad ilimitada de alta velocidad | Revista Española de Electrónica
sábado , junio 6 2020
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COM-HPC™: escalabilidad ilimitada de alta velocidad

COM-HPC™ es el nuevo estándar PICMG para módulos COM (Computer-on-Modules) de alto rendimiento. El pinout y, por lo tanto, también la funcionalidad, han sido aprobados recientemente de forma oficial. Revista Española de Electrónica revela más detalles.

Programado para la primera mi­tad de 2020, todavía queda algo de tiempo antes de la ratificación final por el PICMG de la especificación COM-HPC. Sin embargo, el subcomi­té PICMG ya ha aprobado dos aspec­tos clave en noviembre de 2019: las medidas físicas y la distribución. Esto permite a las empresas involucradas en la definición de la especificación presentar sus primeros productos en el mercado poco después de su ratificación oficial. La información que se puede di­vulgar al público hasta ese momento es estrictamente limitada. A Revista Española de Electrónica se le ha dado la rara oportunidad de compartir más detalles sobre la distribución y las medidas del estándar COM-HPC, que muchos desarrolladores de sistemas embebidos de alta velocidad segu­ramente usarán con las próximas ge­neraciones de procesadores Intel y AMD para servidores embebidos de gama media / alta. IHS Markit estima que los módulos COM representarán alrededor del 38% de las ventas tota­les de placas, módulos y sistemas in­formáticos embebidos en 2020. Esto explica la importancia de los cambios en este mercado que, desde el lanza­miento del primer módulo COM: ha creado dos estándares importantes para la informática embebida de alta gama: ETX y su sucesor COM Express.

Mayor rendimiento, más interfaces

La necesidad de una nueva espe­cificación para complementar COM Express se explica fácilmente: como resultado de la transformación di­gital, la demanda de ordenadores embebidos para proporcionar un rendimiento de alta velocidad está creciendo. Para servir a la nueva clase de servidores edge embebidos, la escalabilidad debe ser ilimitada. Con sus 440 pines, COM Express no tiene suficientes interfaces para potentes servidores edge. El rendimiento del conector COM Express también se acerca lentamente a sus límites. Si bien COM Express puede manejar fácilmente la velocidad de reloj de 8.0 GHz y el rendimiento de 8 Gbit/s de PCIe Gen 3, el veredicto aún está abierto si el conector cumple con ciertos avances tecnológicos como PCIe Gen 4.

Rendimiento del servidor embebido sin cabezal

La necesidad de un rendimiento edge embebido ultra alto y conecti­vidad extendida es mayor en la nueva clase de servidores edge sin cabezal que se utilizan cada vez más como sistemas distribuidos en aplicaciones industriales para entornos adversos y rangos de temperatura ampliados. Para ilustrar esta necesidad de un rendimiento de alto nivel, tome, por ejemplo, un vehículo autónomo que utiliza la visión y la lógica de IA para establecer la conciencia situacional: simplemente no puede esperar a que se calcule un algoritmo en la nube cuando las cosas se ponen difíciles; debe poder reaccionar al instante. Lo mismo se aplica a los robots colabo­rativos. Esto requiere que los sistemas proporcionen al menos 10 GbE de conectividad, así como la capacidad de utilizar una gran cantidad de uni­dades informáticas paralelas, por ejemplo, para pre-procesar datos de sensores de imágenes o ejecutar al­goritmos complejos de deep learning.  Hoy en día, las GPGPU se utilizan cada vez más para ejecutar tareas tan flexibles y multifuncionales. A menudo, reemplazando los FPGA y los DSP, necesitan conectividad de alta velocidad hacia los núcleos cen­trales de la CPU, y esta necesidad aumenta con la complejidad de las tareas. Con sus varios carriles PCIe, los sistemas COM-HPC pueden aco­modar significativamente más tarjetas aceleradoras para mayores aumentos de rendimiento que los que COM Express nunca podría.

Procesamiento masivo de datos paralelos

También se requiere una configu­ración que combine CPUs potentes y una capacidad de procesamiento de datos paralelos masivos en imágenes sanitarias, donde el uso de inteligen­cia artificial está aumentando para apoyar el diagnóstico médico en base a los hallazgos existentes. Los mismos requisitos de rendimiento se apli­can a los innumerables sistemas de visión utilizados en los sistemas de inspección industrial y a los sistemas públicos de videovigilancia.  Todo el campo de las aplicaciones de la Industria 4.0 también necesita una conectividad más potente a me­dida que se conectan cada vez más máquinas y sistemas independientes. Todo esto aumenta la demanda de interfaces de alta velocidad en sis­temas integrados para implementar soluciones de Internet de alto rendi­miento, incluido el soporte TSN para el comportamiento táctil en tiempo real. Además, cada vez más cargas de trabajo deben consolidarse en un solo sistema. Además del pre-procesamiento de datos en sistemas de visión y deep learning, esto incluye firewalls y sistemas de detección para la detección de intrusos, que deben procesar cargas prácticamente idén­ticas paralelas a las aplicaciones en ejecución. Esto duplica los requisitos y exige el uso de tecnologías de hi­pervisor para máquinas virtuales con capacidad en tiempo real, como el RTS Hypervisor de Real-Time Systems.  Otras aplicaciones incluyen reco­lectores de datos para sistemas de prueba de automoción y tecnología de medida para 5G, así como siste­mas de almacenamiento industrial con memoria rápida NVMe conectada a través de PCIe. La lógica edge para torres de radio 5G y blades modulares en armarios de servidores industriales también puede beneficiarse de los módulos COM de alto rendimiento.

Hasta un terabyte de RAM

COM HPC cubrirá estos requisitos de rendimiento de alta velocidad con hasta 100 GbE, hasta 32 Gb/s PCIe Gen 4 y Gen 5, así como hasta 8 zócalos DIMM y procesadores de alta velocidad con más de 200 vatios de potencia. El nuevo estándar distingue dos variantes básicas: módulos de servidor COM HPC sin cabezal, que también se pueden llamar módulos SoM (Server-on-Modules), y módu­los de cliente COM HPC, que siguen el concepto de los módulos COM Express Type 6.  Los módulos SoM COM HPC po­drán alojar la enorme cantidad de 1,0 terabytes de RAM con sus 8 zócalos DIMM. También ejecutarán hasta 8x 25 GbE y admitirán hasta 64 carriles PCIe Gen 4 o Gen 5, es decir, un ren­dimiento de E/S de hasta 256 GB/s. Dicha conectividad ultrarrápida cae dentro de la clase de servidor edge embebido, con los nuevos carriles PCIe que ofrecen velocidades de transferencia de más de 32 Gbit/s con PCIe Gen 5. Este rendimiento es realmente necesario y puede imple­mentarse directamente a través de interfaces de alto rendimiento desde componentes con la capacidad de transferir 28 Gbs Non-Return-to-Zero (NRZ) ya están disponibles. Además, se planifican hasta 2 interfaces USB 4 extremadamente potentes a través de los 800 pines.  Basado en Thunderbolt 3.0, estas interfaces ofrecen 40 Gigabits por segundo (Gbps). Esto corresponde a aproximadamente 5 Gigabytes (GB) por segundo y es aproximadamente el doble de rápido que USB 3.2 con un máximo de 20 Gbps, que tam­bién es compatible hasta 2 veces. Unas 4 interfaces USB 2.0 adicionales completan las opciones de USB en los módulos del servidor COM HPC. Junto a 2x SATA nativas, también se proporciona soporte para eSPI, 2xSPI, SMB, 2x I2C, 2xUART y 12 GPIO para integrar periféricos simples e interfa­ces de comunicación estándar, por ejemplo, para fines de servicio.

Administración de placa tipo servidor

Otra nueva característica de COM-HPC es la interfaz integrada de admi­nistración del sistema. Esta interfaz de software, que actualmente está siendo definida por el subcomité PICMG, tiene como objetivo incluir un pequeño subconjunto de la po­tente y compleja definición de IPMI en la especificación COM-HPC para permitir una fácil implementación de la funcionalidad completa del ser­vidor. Gracias a esta interfaz, COM-HPC ofrecerá funciones de servidor edge real que se pueden aumentar ampliamente mediante la integración de controladores BMC (Board Mana­gement Controllers) tipo servidor ade­cuados en placas base. Se necesitarán guías de diseño relevantes de la placa de soporte para ayudar a los recién llegados al estándar a comenzar.  La especificación ofrecerá además la posibilidad de desarrollar módulos de dispositivos COM-HPC para pro­cesadores gráficos o FPGAs. Para este propósito, la especificación define las entradas de reloj PCIe, de modo que los módulos COM-HPC también se pueden usar como clientes. Esto per­mite diseñar soluciones informáticas heterogéneas flexibles y compactas sin la necesidad de tarjetas elevado­ras complejas, mientras que tradi­cionalmente, las tarjetas gráficas se desarrollan para zócalos PCIe que se montan en un ángulo de 90 grados en la placa base. También ofrecen significativamente menos opciones de conectividad. Lo mismo se aplica a la alternativa de las tarjetas gráficas MXM3, ya que también tienen solo 314 pines.  Con COM-HPC que permite di­seños modulares extremadamente finos, también para GPGPU, entonces es posible diseñar tarjetas de ranura delgada para sistemas de bastidor que ofrecen tanto módulos de ser­vidor COM-HPC como módulos de acelerador basados en GPGPU, FPGA o DSP. Ya se están desarrollando solu­ciones a juego para las tres variantes del módulo acelerador, por lo que COM-HPC ya no es solo un estándar para los procesadores de servidor edge embebidos, sino que también se puede utilizar para la expansión GPGPU, FPGA y DSP.

800 pines en lugar de 440

Junto a esta clase de servidor edge embebido de rendimiento ultra alto, que establece un estándar completa­mente nuevo para la informática em­bebida robusta, la segunda categoría de módulos de cliente COM-HPC se posiciona un poco más discretamente por encima de la especificación COM Express Tipo 6. Como la huella más pequeña puede acomodar solo hasta cuatro sockets SO-DIMM, es princi­palmente el número de pines lo que marca una diferencia clave: 800 pines claramente ofrecen significativamente más opciones de interfaz que los 440 pines de COM Express. Pero siempre que COM Express también pueda manejar PCIe Gen 4, que se puede suponer al menos con respecto a la compatibilidad con versiones anterio­res, los desarrolladores de sistemas COM Express no tienen que cambiar a módulos de cliente COM-HPC. Ade­más de 49 carriles PCIe (COM Express Tipo 6 ofrece solo 24), ahora hay por primera vez dos interfaces KR de 25 GbE y hasta dos interfaces BaseT de 10 Gb, que es significativamente más que la LAN GbE única actual.

Otra característica atractiva son hasta dos interfaces MIPI-CSI, que permiten conexiones de cámara ren­tables para la conciencia situacional y la robótica colaborativa. Muchos desarrolladores también apreciarán las interfaces USB 4.0 convenientes, versátiles y extremadamente potentes que se ofrecen además de 4x USB 2.0. Habrá hasta cuatro, para conec­tar memoria ultrarrápida con hasta 40 Gbps, o hasta dos pantallas 4K, incluida la fuente de alimentación y la conexión de red integrada de 10 GbE a través de un solo cable USB-C. Los gráficos también se han arreglado. El soporte ahora incluye 3x interfaces DDI dedicadas.  Los diseños específicos para los convertidores DisplayPort, DVI-I / VGA y DVI-I, HDMI o DVI a LVDS ahora se ejecutan en la placa base. Otras inter­faces incluyen 2x SoundWire e I2S, así como 2x SATA; eSPI, 2xSPI, SMB, 2x I2C, 2x UART y 12 GPIO completan el conjunto de características.

SoundWire, que se ha incorporado como una nueva interfaz a la especi­ficación, reemplazará la interfaz HDA utilizada actualmente. SoundWire es un estándar MIPI que requiere solo dos canales de reloj y datos, con una velocidad de reloj de hasta 2.288 MHz, para conectar hasta cuatro có­decs de audio en paralelo. Cada có­dec recibe su propia ID que se evalúa.  Los OEM que tienen una relación comercial con una de las compañías involucradas en la nueva especifi­cación ya pueden iniciar diseños de placa base adecuados siempre que los mantengan bajo NDA y no los compartan con terceros.  La nueva especificación solo esta­rá disponible como estándar abier­to después del lanzamiento oficial. Los miembros del subcomité PICMG COM-HPC incluyen Acromag, Ad­link, Advantech, AMI, Amphenol, congatec, Elma Electronic, Emerson Machine Automation Solutions, Ept, Fastwel, GE Automation, HEITEC, Intel, Kontron, MEN, MSC Techno­logies, NAT, nVent, Samtec, Seco, TE Connectivity, Trenz Electronic, Univer­sity Bielefeld, VersaLogic Corp. Adlink, congatec y Kontron son patrocina­dores del comité, mientras que el director de marketing de congatec, Christian Eder, actúa como presidente del comité COM-HPC. También ha desempeñado un papel importante en el desarrollo del estándar COM Express existente como editor de borrador Stefan Milnor de Kontron y Dylan Lang de Samtec apoyan a Christian Eder en sus funciones como editor y secretario del comité PICMG COM-HPC.  Puede encontrar más información sobre el nuevo estándar COM-HPC Computer-on-Module y su distribución en: https://www.congatec.com/COM-HPC y https://www.picmg.org/openstandards/development/

Diseños de placa base tipo servidor

Los desarrolladores que quieran comenzar con los diseños de placa de sopor­te COM-HPC a nivel de servidor edge hoy deberían echar un vistazo a la placa base mini-STX conga-STX7 / Carrier. Mide exactamente 5,5×5,8 pulgadas y está desarrollado para módulos SoM COM Express Type 7, sin embargo, impresiona con un controlador de control de placa (BMC) embebido tipo servidor que proporciona acceso completo fuera de servicio / fuera de banda para funciones de supervisión, gestión y mantenimiento remotas ultraeficientes. Incorpora un AST2500 BMC de Aspeed, que se basa en un procesador ARM11 de 800 MHz, admite DDR4 1600Mbps y proporciona PCIe 2D VGA en chip para la consola de administración.  Congatec ha optimizado el firmware del controlador para cumplir con los requisitos de gestión de micro y servidores edge embebidos basados en módu­los COM. Esto incluye la posibilidad de usar las API embebidas existentes de los estándares PICMG para implementar todos los registros de eventos y alertas necesarios en el sistema de gestión remota a través de esta implementación de sensor. Además, se han implementado comandos IPMI para el control de potencia del chasis, KVM y funciones de redireccionamiento de medios para admitir consolas de servidor conectadas localmente y KVM remoto. Una consola huésped de depuración con conmutación de salida entre los diferentes objetivos del sistema huésped completa la versión 1.0 de esta versión.



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