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Sigue adelante: Altas prestaciones en un formato mini

procesadores intel core
Figura 1. Congatec utilizará la 13ª generación de procesadores Intel Core en COM-HPC Tamaño A, C y COM-HPC Mini, así como en COM Express Compact.

Autor: Christian Eder, Director de Marketing de Producto en Congatec

En el embedded world, congatec presentará los primeros módulos basados en la especificación preliminar COM-HPC Mini. Y puesto que los módulos por sí solos no son suficientes para dar a los OEMs la agilidad para optimizar y ampliar su cartera de soluciones, congatec también ofrece un ecosistema COM-HPC completo, ayudando así a los desarrolladores de sistemas ultracompactos de altas prestaciones a desatar el nudo gordiano de cómo encajar las altas prestaciones en un tamaño mini.

La transformación digital está acercando más que nunca la tecnología, las máquinas y las personas. Robots colaborativos, vehículos autónomos, dispositivos médicos impulsados por IA y comunicaciones 5G más rápidas son solo algunos ejemplos. Para mantenerse a la vanguardia en estos mercados en crecimiento, los OEM necesitan revisar y optimizar constantemente sus ofertas de soluciones. Un salto de rendimiento a COM-HPC es esencial para muchas aplicaciones nuevas en vista del rápido aumento de los requisitos técnicos: El análisis de vídeo basado en IA para el conocimiento de la situación requiere anchos de banda inmensamente altos con resoluciones de cámara cada vez más altas. El control por voz debe estar libre de latencia, lo que también requiere que la IA procese flujos de datos de resolución cada vez mayor. Los gráficos en combinación con la realidad aumentada también son cada vez más exigentes. El procesamiento paralelo de datos en tiempo real en los procesos colaborativos de la Industria 4.0 también requiere latencias mínimas con un caudal de datos cada vez mayor. Por último, pero no por ello menos importante, la ciberseguridad también exige más potencia de cálculo. Y además de todo esto, los desarrolladores de sistemas quieren optimizar significativamente la conectividad de sus plataformas aprovechando las últimas tecnologías, como Thunderbolt 4.

El estándar COM-HPC se desarrolló precisamente para satisfacer estos requisitos cada vez más exigentes. Ahora, el espectro de aplicaciones se amplía aún más, ya que la disponibilidad de los módulos COM-HPC Mini con procesadores Intel Core de 13ª generación (nombre de referencia Raptor Lake) dará a los desarrolladores acceso a un ecosistema completo para sus diseños informáticos modulares embebidos y edge de gama alta de tercera generación. Este ecosistema abarca desde módulos SOM (Server on Modules) de gama alta hasta módulos cliente (Client-on-Modules) extremadamente compactos que apenas superan el tamaño de una tarjeta de crédito. Con COM-HPC Mini, incluso las soluciones COM Express Compact y COM Express Mini más compactas podrán beneficiarse de un aumento del rendimiento de gama alta y aprovechar un número significativamente mayor de nuevas interfaces de alta velocidad. De este modo, familias enteras de productos pueden migrar al nuevo estándar PICMG sin necesidad de modificar significativamente el diseño interno del sistema ni el envolvente, a pesar de las mayores dimensiones del módulo y la placa base.

com hpc
Figura 2. Con 400 pines, COM-HPC Mini integra un gran número de
interfaces de altas prestaciones en un tamaño que apenas supera el de
una tarjeta de crédito.

Facilitar el trabajo de diseño de COM Express Compact a COM-HPC

Esto no era posible con la especificación COM-HPC Size A. Con unas dimensiones de 95×120 mm (11.400 mm2), el formato COM-HPC más pequeño hasta la fecha es casi un 32% más grande que COM Express Compact, que mide 95×95 mm (9.025 mm²). Desde el punto de vista de la huella, son 25 mm demasiado anchos para migrar los diseños COM Express existentes a COM-HPC. Dado que COM Express Compact es el factor de forma COM Express más extendido y que actualmente sólo la gama alta sigue utilizando el factor de forma COM Express Basic, de mayor tamaño, muchos desarrolladores se enfrentaban a retos considerables, aunque sólo fuera en términos de dimensiones de diseño del sistema. Pero ahora más pequeño es posible. Por eso, COM-HPC Mini, con sus 95×60 mm, es un auténtico liberador que abre perspectivas totalmente nuevas, en particular para los numerosos diseños de sistemas ultracompactos.

Es cierto que COM-HPC Mini sólo tiene 400 pines, es decir, 40 pines menos que COM Express Type 6 (440). No obstante, los desarrolladores se benefician de importantes ganancias de ancho de banda y de una mayor diversidad de interfaces gracias a unos estándares más nuevos y potentes. Esto también pone en perspectiva la reducción nominal del número de canales PCIe de 24 con COM Express Type 6 a 16 canales con COM-HPC Mini. De todos modos, la mayoría de los diseños de sistemas ultracompactos rara vez han agotado este paquete de interfaces. Con PCIe hasta Gen 5 y probablemente también PCIe Gen 6, 4x USB 4.0, 2x 10 Gbit/s Ethernet, que puede ampliarse a 4 puertos mediante 2x carriles SERDES, y hasta 4 interfaces de pantalla, la especificación COM-HPC Mini cuenta con las interfaces  más modernas hoy en día. Además de modernas interfaces periféricas adicionales, como 2x MIPI-CSI para cámaras, también se proporcionan clásicos industriales como CAN bus y 2x UART. Una característica novedosa que se ha añadido es el soporte de seguridad funcional. Esto permitirá en el futuro realizar aplicaciones ultracompactas que deban consolidar tareas en tiempo real críticas para la seguridad junto con otras tareas en un solo sistema. Ejemplos de este tipo de aplicaciones son los robots y vehículos móviles autónomos.

Lo nuevo funciona mejor a largo plazo

Muchos desarrolladores de nuevas aplicaciones de alto rendimiento también apreciarán la seguridad de diseño añadida, ya que el conector COM-HPC está especificado para velocidades de transferencia de datos significativamente más altas que COM Express. Es cierto que la especificación COM Express 3.1, que se lanzó a finales de 2022 y admite PCIe 4.0 con hasta 16 Gbit/s, también ofrece una vía de actualización. Sin embargo, ya se vislumbra el final para nuevos aumentos de rendimiento. El reciente lanzamiento de la 13ª generación de procesadores Intel Core demostró que la brecha está empezando a ampliarse, ya que COM-HPC simplemente ofrece más. Algunas variantes ya son compatibles con PCIe 5.0, lo que en última instancia permite duplicar el caudal de datos. Pero los desarrolladores no tienen por qué preocuparse si pueden vivir con los anchos de banda que ofrece COM Express: El estándar de módulos COM más popular seguirá existiendo muchos años más. Sigue contando con el apoyo de los proveedores de sistemas embebidos y recibe cuidadosas actualizaciones dentro de lo técnicamente posible. Esto es especialmente bueno para los diseños sensibles a los costes y/o de bajo consumo, en los que COM-HPC está sobreespecificado. Sin embargo, quienes deseen aprovechar las últimas tecnologías, como la conectividad Thunderbolt 4, ya pueden actualizar los diseños compactos existentes. Los puertos Thunderbolt 4 implementan alimentación eléctrica, transferencia bidireccional de datos hasta USB 3.2 Gen 2, así como pantallas de vídeo 4k y Ethernet de 10 Gb a través de un único cable USB-C en configuraciones máximas. Todo esto requiere un ancho de banda de hasta 40 Gbit/s, que es simplemente inviable con el conector COM Express, incluso en la especificación 3.1.

Listo para despegar con la 13ª generación de procesadores Intel Core

Numerosos factores hablan a favor del nuevo estándar COM-HPC. El lanzamiento de la 13ª generación de procesadores Intel Core actúa como un acelerador que agilizará la introducción de estas nuevas plataformas de sistema. congatec espera un rápido y masivo incremento en la producción en serie de diseños OEM basados en estos nuevos módulos, ya que los nuevos procesadores con disponibilidad garantizada a largo plazo ofrecen enormes mejoras en muchas prestaciones, a la vez que son totalmente compatibles en hardware con sus predecesores, lo que hace que la implementación sea muy rápida y sencilla. Los módulos basados en el nuevo estándar COM HPC abren nuevos horizontes a los desarrolladores en términos de caudal de datos, ancho de banda de E/S y densidad de rendimiento gracias a Thunderbolt y a la compatibilidad superior con PCIe hasta Gen 5. Por otro lado, los nuevos módulos compatibles con COM Express 3.1 aseguran principalmente las inversiones en los diseños OEM existentes con opciones de actualización para un mayor caudal de datos gracias a la compatibilidad con PCIe Gen 4.

  COM-HPC Mini COM Express 3.1 Type 10 (Mini) COM Express 3.1 Type 6 (Compact &Basic)
Formato 95×60 mm 84×55 mm 95×95 mm/125×95 mm
Altura Altura 5 ó 10 mm (de la parte inferior del módulo a la parte superior de la placa base) Altura 5 ó 10 mm (de la parte inferior del módulo a la parte superior de la placa base) Altura 5 ó 8  mm (de la parte inferior del módulo a la parte superior de la placa base)
Consumo de potencia 76 W 68 W 137 W
Pins de señal 400 220 440
PCIe (1) 16 x PCIe Gen 5 4x PCIe Gen 4 24x PCIe Gen 4
Gráficos (1) 3x DDi + 1x eDP 1x DDI +1 LVDS/eDP 3x DDI + 1x LVDS/eDP/VGA
Sonido HDA, SoundWire, I2S 1x HDA/SoundWire HDA (1x SoundWire opcional)
Entradas de cámara 2x MIPI CSI (conectores en módulo) 2x MIPI CSI (conectores en módulo) 2x MIPI CSI (conectores en módulo)
Ethernet (1) 2x 10 GbitE con TSN + 2x 10 GbitE (SERDES) con TSN 1x GbitE con TSN 1x GbitE con TSN
USB (1) 4x USB 4.0, 4x USB 3.2 x1/SB 3.2 x1 + 8x USB 2.0 2x USB 3.2 + 8x USB 2.0 4x USB 3.2 or 2x USB 4.0 multiplexado con 2x DDI
+ 8x USB 2.0
SATA (1) 2x SATA Gen 3 2x SATA Gen 3 4x SATS Gen 3
CAN 1x 2x 2x
UART 2x
GPIO 12x 8x 8x
Others eSPI, 2x SPI, SMB, 2x I2C LPC/eSPI LPC/eSPI
FuSa Compatible No compatible No compatible

 

Figura 3. La migración de COM Express a COM-HPC aporta numerosas ventajas de interfaz.

En comparación con los procesadores Intel Core de 12ª generación, los nuevos módulos COM-HPC y COM Express con procesadores Intel Core soldados de 13ª generación ofrecen varias ventajas: Permiten que los diseños robustos para el rango de temperaturas industriales desde -40°C a +85°C utilicen la innovadora arquitectura híbrida de Intel, que es una primicia en la industria. Además, ofrecen hasta un 8% más de rendimiento monohilo y hasta un 5% más de rendimiento multihilo. Gracias a la mejora del proceso de fabricación, este aumento del rendimiento va acompañado de una mayor eficiencia energética. Otras novedades en esta clase de rendimiento (15-45 W de potencia base) son la compatibilidad con memoria DDR5 y la conectividad PCIe Gen 5 en determinadas versiones de CPU. Ambas contribuyen a mejorar aún más el rendimiento multihilo y a aumentar el caudal de datos. Con hasta 96 unidades de ejecución (EU) y capacidades de codificación y decodificación ultrarrápidas, la arquitectura gráfica Intel Iris Xe integrada es ideal para requisitos gráficos elevados, por ejemplo, en aplicaciones que implican transmisión de vídeo y/o conocimiento de la situación basado en vídeo. Todas estas características conducen a mejoras significativas en una amplia gama de aplicaciones informáticas embebidas y edge, que implementan cada vez más funciones de inteligencia artificial y aprendizaje automático, así como consolidación de cargas de trabajo.

placas base com
Figura 4. Siempre hay espacio para reducir el tamaño: Las placas base COM Express Basic y
Compact pueden alojar fácilmente módulos COM-HPC Mini.

COM-HPC Mini es extremadamente robusto

Ahora imaginemos que estos nuevos procesadores Intel, junto con características robustas como la RAM soldada y la compatibilidad con el rango de temperatura ampliado, se implementarán en los módulos COM-HPC Mini. En ese caso, es evidente que estos nuevos módulos encontrarán un uso universal en soluciones de sistemas de alto rendimiento que COM Express no puede abordar. Sólo hay una pregunta: ¿Hasta qué punto es complejo migrar sistemas de COM Express a COM-HPC? En pocas palabras, sólo hay que modificar la placa base, aunque las dimensiones y el diseño de la interfaz pueden permanecer inalterados. Ciertamente, el enrutamiento y los componentes deben adaptarse para dar cabida a las nuevas prestaciones, y no es posible sustituir simplemente el módulo. Sin embargo, en lo que respecta al hardware, «sólo» es cuestión de adaptar las prácticas de diseño existentes a los nuevos requisitos de interfaces más rápidas. La señalización de alta velocidad constituye un reto particular en este contexto.

com hpc mini
Figura 5. La altura ya no es un cuello de botella: Un diseño de módulo COM-HPC Mini y
disipador térmico tiene una altura mínima de 15 mm (desde la superficie de la placa base
hasta el disipador térmico). Es decir, 3 mm menos que la altura mínima del sistema de 18
mm para COM Express Compact.

Servicios adicionales y formación para simplificar el diseño

Aquí es donde fabricantes como congatec acuden en ayuda de sus clientes con una academia de formación que enseña a los desarrolladores de placas base las mejores prácticas de diseño. El programa de formación pretende ofrecer a los arquitectos de sistemas una introducción rápida y eficaz a las reglas de diseño del nuevo estándar PICMG. El curso guía a los desarrolladores a través de todos los fundamentos de diseño obligatorios y recomendados de los módulos COM y los esquemas de mejores prácticas para que puedan iniciar sus propios proyectos de diseño de placas base. La transferencia de conocimientos se centra en el diseño de placas base conforme a los estándares, que es esencial para construir plataformas informáticas embebidas personalizadas interoperables, escalables y duraderas. La academia congatec funciona globalmente, ofreciendo cursos online y presenciales a desarrolladores de OEMs, VARs e integradores de sistemas.

Aunque las guías de diseño oficiales son un gran recurso, en última instancia no son más que una especificación de requisitos. Los desarrolladores también necesitan aprender la mejor manera de poner en práctica estos fundamentos. El programa de formación de congatec se diseñó con el objetivo de acelerar la transferencia de conocimientos necesaria para iniciar dichos proyectos de desarrollo en el mundo real.

modulo com hpc
Figura 6. El TDP no es un reto: A pesar de su reducido tamaño, COM-HPC Mini ofrece un
amplio margen para procesadores de alto rendimiento con un consumo máximo de hasta 76
vatios, mientras que los diseños de sistemas con COM Express Compact suelen admitir sólo
hasta 45 vatios. Para permitir a los desarrolladores hacer el mejor uso posible del rango de
potencia ampliado, congatec ofrece soluciones de refrigeración optimizadas.

El nuevo programa de formación en diseño de placas base de congatec, que comenzará en abril de 2023, ofrecerá a los ingenieros una introducción al mundo de los sistemas embebidos y edge de gama alta, desde los principios de diseño de PCB hasta las reglas de gestión de la alimentación, los requisitos de integridad de la señal y la selección de componentes.

Los clientes que deseen utilizar COM-HPC pero no dispongan de los recursos necesarios para integrar los módulos por sí mismos, pueden confiar en los servicios de diseño de congatec. También se ofrecen diseños de placas base, soluciones de refrigeración optimizadas y amplios servicios de integración de sistemas. Con esta completa gama de productos y servicios, congatec continúa desarrollando su misión de «simplificar el uso de la tecnología embebida».

Y con esta completa oferta, desde módulos, soluciones de refrigeración y placas de evaluación y base listas para la aplicación, hasta formación en diseño y servicios completos de diseño, congatec está creando un completo ecosistema COM-HPC en el que los nuevos diseños y los procesos de diseño para la migración de COM Express a COM-HPC Mini ya no son un gran reto.

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