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Weiter so: Hochleistung im Mini-Format

Intel-Core-Prozessoren
Abbildung 1. Congatec wird Intel Core Prozessoren der 13. Generation in COM-HPC Size A, C und COM-HPC Mini sowie COM Express Compact verwenden.

Autor: Christian Eder, Leiter Produktmarketing bei Congatec

Auf der embedded world präsentiert congatec die ersten Module auf Basis der vorläufigen COM-HPC Mini Spezifikation. Und da Module allein nicht ausreichen, um OEMs die Agilität zu geben, ihr Lösungsportfolio zu optimieren und zu erweitern, bietet congatec auch ein komplettes COM-HPC-Ökosystem und hilft damit Entwicklern von ultrakompakten, leistungsstarken Systemen, den gordischen Knoten des Wie zu entfesseln um hohe Leistung in eine Mini-Größe zu passen.

Die digitale Transformation bringt Technik, Maschinen und Menschen einander näher als je zuvor. Kollaborative Roboter, autonome Fahrzeuge, KI-gestützte medizinische Geräte und schnellere 5G-Kommunikation sind nur einige Beispiele. Um in diesen wachsenden Märkten die Nase vorn zu haben, müssen OEMs ihre Lösungsangebote ständig überprüfen und optimieren. Ein Leistungssprung auf COM-HPC ist angesichts rasant steigender technischer Anforderungen für viele neue Anwendungen unumgänglich: KI-basierte Videoanalyse für Situational Awareness erfordert immens hohe Bandbreiten bei immer höheren Kameraauflösungen. Die Sprachsteuerung muss latenzfrei sein, was auch von der KI verlangt, Datenströme mit immer höherer Auflösung zu verarbeiten. Auch Grafiken in Kombination mit Augmented Reality werden immer anspruchsvoller. Auch die parallele Echtzeit-Datenverarbeitung in kollaborativen Industrie-4.0-Prozessen erfordert minimale Latenzzeiten bei stetig steigendem Datendurchsatz. Nicht zuletzt verlangt auch die Cybersicherheit nach mehr Rechenleistung. Und obendrein wollen Systementwickler die Konnektivität ihrer Plattformen deutlich optimieren, indem sie sich neueste Technologien wie Thunderbolt 4 zunutze machen.

Genau für diese steigenden Anforderungen wurde der COM-HPC-Standard entwickelt. Jetzt wird das Anwendungsspektrum weiter erweitert, da die Verfügbarkeit von COM-HPC Mini-Modulen, die von Intel Core-Prozessoren der 13. Generation (Referenzname Raptor Lake) angetrieben werden, Entwicklern Zugang zu einem vollständigen Ökosystem für ihre modularen Computerdesigns geben wird. Endkante und eingebettete Geräte. Dieses Ökosystem reicht von High-End Server on Modules (SOMs) bis hin zu extrem kompakten Client-on-Modules, die kaum größer als eine Kreditkarte sind. Mit COM-HPC Mini profitieren selbst die kompaktesten COM Express Compact- und COM Express Mini-Lösungen von erhöhter High-End-Performance und deutlich mehr neuen High-Speed-Schnittstellen. Auf diese Weise können ganze Produktfamilien auf den neuen PICMG-Standard migriert werden, ohne dass wesentliche Änderungen am internen Systemdesign oder Gehäuse trotz der gestiegenen Abmessungen von Modul und Motherboard erforderlich sind.

com hpc
Abbildung 2. Mit 400 Pins integriert COM-HPC Mini eine große Anzahl von
Hochleistungsschnittstellen in einer Größe, die die Größe von kaum übersteigt
eine Kreditkarte.

Erleichtern Sie die Konstruktionsarbeit von COM Express Compact bis COM-HPC

Nicht möglich war dies mit der Spezifikation COM-HPC Size A. Mit Abmessungen von 95 x 120 mm (11.400 mm²) ist das bisher kleinste COM-HPC-Format fast 2 % größer als COM Express Compact, das 32 x 95 mm (95 mm²) misst. Vom Footprint her ist das 9.025 mm zu breit, um bestehende COM-Express-Designs auf COM-HPC zu migrieren. Da COM Express Compact der am weitesten verbreitete COM Express-Formfaktor ist und derzeit nur das High-End-System noch den größeren COM Express Basic-Formfaktor verwendet, standen viele Entwickler vor erheblichen Herausforderungen, wenn auch nur in Bezug auf die Abmessungen. Aber jetzt ist auch kleiner möglich. Deshalb ist das COM-HPC Mini mit seinen 25x95mm ein echter Befreier, der gerade für die vielen ultrakompakten Systemdesigns ganz neue Perspektiven eröffnet.

COM-HPC Mini hat zwar nur 400 Pins, also 40 Pins weniger als COM Express Type 6 (440). Entwickler profitieren jedoch dank neuerer und leistungsfähigerer Standards von erheblichen Bandbreitengewinnen und einer größeren Schnittstellenvielfalt. Damit relativiert sich auch die nominelle Reduzierung der Anzahl der PCIe-Lanes von 24 bei COM Express Type 6 auf 16 Lanes bei COM-HPC Mini. Die meisten ultrakompakten Systemdesigns haben dieses Bündel von Schnittstellen jedoch selten erschöpft. Mit PCIe bis Gen 5 und voraussichtlich auch PCIe Gen 6, 4x USB 4.0, 2x 10 Gbit/s Ethernet, das über 4x SERDES-Lanes auf 2 Ports erweitert werden kann, und bis zu 4 Displayschnittstellen hat die COM-HPC Mini Spezifikation die modernsten Schnittstellen heute. Neben weiteren modernen Peripherieschnittstellen wie 2x MIPI-CSI für Kameras sind auch Industrieklassiker wie CAN-Bus und 2x UART vorhanden. Eine neue Funktion, die hinzugefügt wurde, ist die Unterstützung der funktionalen Sicherheit. Dies ermöglicht zukünftige ultrakompakte Anwendungen, die sicherheitskritische Echtzeitaufgaben zusammen mit anderen Aufgaben auf einem einzigen System konsolidieren müssen. Beispiele für diese Art von Anwendungen sind Roboter und autonome mobile Fahrzeuge.

Neu funktioniert auf Dauer besser

Auch viele Entwickler neuer Hochleistungsanwendungen werden die zusätzliche Designsicherheit zu schätzen wissen, da der COM-HPC Connector für deutlich höhere Datenübertragungsraten als COM Express spezifiziert ist. Zwar bietet auch die Ende 3.1 erschienene Spezifikation COM Express 2022, die PCIe 4.0 mit bis zu 16 Gbit/s unterstützt, einen Upgrade-Pfad. Allerdings ist für weitere Leistungssteigerungen bereits das Ende in Sicht. Die kürzliche Markteinführung der Intel Core Prozessoren der 13. Generation hat gezeigt, dass die Kluft immer größer wird, da COM-HPC einfach mehr bietet. Einige Varianten unterstützen bereits PCIe 5.0, wodurch Sie letztendlich Ihren Datendurchsatz verdoppeln können. Aber Entwickler müssen sich keine Sorgen machen, ob sie mit den Bandbreiten leben können, die COM Express bietet: Der beliebteste COM-Modul-Standard wird es noch viele Jahre geben. Es wird weiterhin von Anbietern eingebetteter Systeme unterstützt und erhält sorgfältige Updates, wo dies technisch möglich ist. Dies ist besonders gut für kostensensible und/oder Low-Power-Designs, bei denen COM-HPC überspezifiziert ist. Wer jedoch die Vorteile der neuesten Technologien wie Thunderbolt 4-Konnektivität nutzen möchte, kann jetzt vorhandene kompakte Designs aufrüsten. Thunderbolt 4-Anschlüsse implementieren Strom, bidirektionale Datenübertragung bis zu USB 3.2 Gen 2 sowie 4k-Videoanzeigen und 10-Gb-Ethernet über ein einziges USB-C-Kabel in maximalen Konfigurationen. All dies erfordert eine Bandbreite von bis zu 40 Gbit/s, was mit dem COM-Express-Anschluss auch in der 3.1-Spezifikation einfach nicht realisierbar ist.

Bereit zum Abheben mit Intel Core Prozessoren der 13. Generation

Zahlreiche Faktoren sprechen für den neuen COM-HPC-Standard. Die Veröffentlichung der Intel Core Prozessoren der 13. Generation wirkt als Beschleuniger, der die Einführung dieser neuen Systemplattformen beschleunigen wird. congatec erwartet auf Basis dieser neuen Module einen schnellen und massiven Anstieg der Serienproduktion von OEM-Designs, da die neuen Prozessoren mit garantierter Langzeitverfügbarkeit enorme Verbesserungen in vielen Features bieten und gleichzeitig voll hardwarekompatibel zu ihren Vorgängern sind, was die Implementierung sehr erschwert schnell und einfach. Module auf Basis des neuen COM-HPC-Standards eröffnen Entwicklern neue Horizonte hinsichtlich Datendurchsatz, I/O-Bandbreite und Leistungsdichte dank Thunderbolt und überlegener PCIe-Kompatibilität bis Gen 5. Andererseits bietet das neue COM Express 3.1 kompatible Module sichern in erster Linie Investitionen in bestehende OEM-Designs mit Upgrade-Optionen für höheren Datendurchsatz mit PCIe Gen 4-Unterstützung.

  COM-HPC-Mini COM Express 3.1 Typ 10 (Mini) COM Express 3.1 Typ 6 (Kompakt & Basic)
Breite 95 × 60 mm 84 × 55 mm 95 × 95 mm/125 × 95 mm
Höhe Höhe 5 oder 10 mm (von der Unterseite des Moduls bis zur Oberseite der Hauptplatine) Höhe 5 oder 10 mm (von der Unterseite des Moduls bis zur Oberseite der Hauptplatine) Höhe 5 oder 8 mm (von der Unterseite des Moduls bis zur Oberseite des Motherboards)
Leistungsaufnahme 76 W 68 W 137 W
Signalstifte 400 220 440
PCIe (1) 16 x PCIe-Gen-5 4 x PCIe-Gen 4 24 x PCIe-Gen 4
Grafik (1) 3x DDI + 1x eDP 1x DDI +1 LVDS/eDP 3x DDI + 1x LVDS/eDP/VGA
klingen HDA, SoundWire, I2S 1x HDA/SoundWire HDA (1x SoundWire optional)
Kameraeingänge 2x MIPI CSI (Anschlüsse am Modul) 2x MIPI CSI (Anschlüsse am Modul) 2x MIPI CSI (Anschlüsse am Modul)
Ethernet (1) 2x 10 GbitE mit TSN + 2x 10 GbitE (SERDES) mit TSN 1x GbitE mit TSN 1x GbitE mit 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 oder 2x USB 4.0 gemultiplext mit 2x DDI
+ 8x USB 2.0
SATA (1) 2x SATA Gen3 2x SATA Gen3 4x SATS Gen 3
CAN 1x 2x 2x
UART 2x - -
GPIO 12x 8x 8x
Anders eSPI, 2x SPI, SMB, 2x I2C LPC/eSPI LPC/eSPI
FuSa Kompatibel Nicht unterstützt Nicht unterstützt

 

Abbildung 3. Die Migration von COM Express zu COM-HPC bringt viele Schnittstellenvorteile.

Im Vergleich zu Intel Core Prozessoren der 12. Generation bieten die neuen COM-HPC und COM Express Module mit aufgelöteten Intel Core Prozessoren der 13. Generation mehrere Vorteile: Sie ermöglichen robuste Designs für industrielle Temperaturbereiche von -40°C bis +85°C und nutzen Intels innovativen Hybrid Architektur, die eine Branchenneuheit ist. Darüber hinaus bieten sie eine bis zu 8 % bessere Single-Thread-Leistung und eine bis zu 5 % bessere Multi-Thread-Leistung. Dank der Verbesserung des Herstellungsprozesses geht diese Leistungssteigerung mit einer höheren Energieeffizienz einher. Weitere Premieren in dieser Leistungsklasse (15–45 W Basisleistung) sind die Unterstützung für DDR5-Speicher und PCIe-Gen-5-Konnektivität bei ausgewählten CPU-Versionen. Beide tragen dazu bei, die Multithreading-Leistung weiter zu verbessern und den Datendurchsatz zu erhöhen. Mit bis zu 96 Ausführungseinheiten (EUs) und ultraschnellen Kodierungs- und Dekodierungsfunktionen ist die integrierte Intel Iris Xe-Grafikarchitektur ideal für hohe Grafikanforderungen, beispielsweise in Anwendungen mit Video-Streaming und/oder webbasiertem Situationsbewusstsein . All diese Funktionen führen zu erheblichen Verbesserungen in einer Vielzahl von Embedded- und Edge-Computing-Anwendungen, die zunehmend KI- und maschinelle Lernfunktionen sowie Workload-Konsolidierung implementieren.

com-Motherboards
Abbildung 4. Es gibt immer Platz zum Verkleinern: COM Express Basic und
Compact kann problemlos COM-HPC Mini-Module aufnehmen.

COM-HPC Mini ist äußerst robust

Stellen Sie sich nun vor, dass diese neuen Intel-Prozessoren zusammen mit robusten Funktionen wie gelötetem RAM und Unterstützung für einen erweiterten Temperaturbereich in COM-HPC Mini-Modulen implementiert werden. Dann ist klar, dass diese neuen Module universellen Einsatz in leistungsstarken Systemlösungen finden werden, die COM Express nicht adressieren kann. Stellt sich nur eine Frage: Wie aufwändig ist es, Systeme von COM Express auf COM-HPC zu migrieren? Einfach ausgedrückt muss nur das Motherboard modifiziert werden, obwohl die Abmessungen und das Schnittstellenlayout unverändert bleiben können. Allerdings müssen Routing und Komponenten an die neuen Features angepasst werden und ein einfacher Austausch des Moduls ist nicht möglich. Bei der Hardware geht es jedoch „nur“ darum, bestehende Designpraktiken an die neuen Anforderungen schneller Schnittstellen anzupassen. Die Hochgeschwindigkeitssignalisierung ist dabei eine besondere Herausforderung.

com hpc mini
Abbildung 5. Die Höhe ist kein Engpass mehr: Ein COM-HPC Mini-Moduldesign und
Kühlkörper hat eine Mindesthöhe von 15 mm (von der Oberfläche des Motherboards).
zum Kühlkörper). Das heißt, 3 mm weniger als die Mindesthöhe des Systems von 18
mm für COM Express Compact.

Zusätzliche Dienstleistungen und Schulungen zur Vereinfachung des Designs

Hier kommen Hersteller wie congatec ihren Kunden mit einer Trainingsakademie zu Hilfe, die Motherboard-Entwicklern die besten Design-Praktiken vermittelt. Das Trainingsprogramm soll Systemarchitekten einen schnellen und effizienten Einstieg in die Designregeln des neuen PICMG-Standards ermöglichen. Der Kurs führt Entwickler durch alle erforderlichen und empfohlenen Designgrundlagen für COM-Module und Best-Practice-Schemata, damit sie ihre eigenen Motherboard-Designprojekte starten können. Der Wissenstransfer konzentriert sich auf das standardkonforme Motherboard-Design, das für den Aufbau interoperabler, skalierbarer und langlebiger kundenspezifischer Embedded-Computing-Plattformen unerlässlich ist. Die congatec academy arbeitet weltweit und bietet Online- und Präsenzkurse für OEM-Entwickler, VARs und Systemintegratoren an.

Obwohl offizielle Designleitfäden eine großartige Ressource sind, sind sie letztendlich nichts anderes als eine Anforderungsspezifikation. Entwickler müssen auch lernen, wie sie diese Grundlagen am besten in die Praxis umsetzen. Das congatec-Schulungsprogramm wurde mit dem Ziel konzipiert, den Wissenstransfer zu beschleunigen, der erforderlich ist, um solche Entwicklungsprojekte in der Praxis zu initiieren.

Modul mit HPC
Abbildung 6. TDP ist keine Herausforderung: Trotz seiner geringen Größe bietet COM-HPC Mini a
breiter Spielraum für Hochleistungsprozessoren mit einem Maximalverbrauch von bis zu 76
Watt, wohingegen Systemdesigns mit COM Express Compact typischerweise nur unterstützen
bis 45 Watt. Damit Entwickler die Bandbreite von optimal nutzen können
erweiterte Leistung bietet congatec optimierte Kühllösungen.

Ab April 2023 bietet das neue Motherboard-Design-Schulungsprogramm von congatec Ingenieuren eine Einführung in die Welt der High-End-Edge- und Embedded-Systeme, von den Prinzipien des PCB-Designs bis hin zu Managementregeln, Leistung, Anforderungen an die Signalintegrität und Komponentenauswahl.

Kunden, die COM-HPC einsetzen möchten, aber nicht die Ressourcen haben, die Module selbst zu integrieren, können auf die Design-Services von congatec zurückgreifen. Motherboard-Designs, optimierte Kühllösungen und umfangreiche Systemintegrationsdienste werden ebenfalls angeboten. Mit diesem kompletten Produkt- und Dienstleistungsangebot entwickelt congatec seine Mission „Embedded Technology einfacher bedienbar zu machen“ weiter.

Und mit diesem kompletten Angebot, von Modulen, Kühllösungen und anwendungsfertigen Basis- und Evaluierungsboards bis hin zu Designschulungen und umfassenden Designservices, schafft congatec ein komplettes COM-HPC-Ökosystem, in dem neue Designs und Designprozesse für die Migration von COM Express entwickelt werden zu COM-HPC Mini sind keine große Herausforderung mehr.