COM-HPC™ ist der neue PICMG-Standard für leistungsstarke COM (Computer-on-Modules)-Module. Die Pinbelegung und damit auch die Funktionalität wurden kürzlich offiziell freigegeben. Das spanische Elektronikmagazin verrät weitere Details.
Geplant für das erste Halbjahr 2020, bis zur endgültigen Ratifizierung der COM-HPC-Spezifikation durch die PICMG ist noch etwas Zeit. Das PICMG-Unterkomitee hat jedoch bereits im November 2019 zwei Schlüsselaspekte genehmigt: physikalische Messungen und Verteilung. Dies ermöglicht es den an der Definition der Spezifikation beteiligten Unternehmen, bereits kurz nach ihrer offiziellen Ratifizierung ihre ersten Produkte auf dem Markt zu präsentieren. Die Informationen, die bis zu diesem Zeitpunkt der Öffentlichkeit zugänglich gemacht werden können, sind streng begrenzt. Revista Española de Electrónica hatte die seltene Gelegenheit, mehr Details über die Verbreitung und Messungen des COM-HPC-Standards zu teilen, den viele Entwickler von Hochgeschwindigkeits-Embedded-Systemen sicherlich mit den nächsten Generationen von Intel- und AMD-Serverprozessoren verwenden werden -Bereich / High-End eingebettet. IHS Markit schätzt, dass COM-Module im Jahr 38 rund 2020 % des Gesamtumsatzes von Boards, Modulen und eingebetteten Computersystemen ausmachen werden. Dies erklärt die Bedeutung der Veränderungen in diesem Markt, der seit der Einführung des ersten COM-Moduls: zwei geschaffen hat wichtige Standards für High-End-Embedded-Computing: ETX und sein Nachfolger COM Express.
Höhere Leistung, mehr Schnittstellen
Die Notwendigkeit einer neuen Spezifikation zur Ergänzung von COM Express lässt sich leicht erklären: Als Folge der digitalen Transformation wächst die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsleistung für eingebettete Computer. Um die neue Klasse der eingebetteten Edge-Server bedienen zu können, muss die Skalierbarkeit unbegrenzt sein. COM Express hat mit seinen 440 Pins nicht genug Schnittstellen für leistungsfähige Edge-Server. Auch die Leistungsfähigkeit des COM Express Konnektors stößt langsam an ihre Grenzen. Während COM Express die 8.0-GHz-Taktrate und den 8-Gbit/s-Durchsatz von PCIe Gen 3 problemlos bewältigen kann, ist noch offen, ob der Anschluss bestimmten technologischen Fortschritten wie PCIe Gen 4 entspricht.
Headless-Embedded-Server-Leistung
Der Bedarf an ultrahoher Embedded-Edge-Leistung und erweiterter Konnektivität ist in der neuen Klasse der Headless-Edge-Server am größten, die zunehmend als verteilte Systeme in industriellen Anwendungen für raue Umgebungen und erweiterte Temperaturbereiche eingesetzt werden. Um diesen Bedarf an Leistung auf hohem Niveau zu veranschaulichen, nehmen Sie zum Beispiel ein autonomes Fahrzeug, das KI-Vision und -Logik verwendet, um Situationsbewusstsein zu schaffen: Es kann einfach nicht warten, bis ein Cloud-Algorithmus berechnet, wann etwas passiert. Sie müssen in der Lage sein, sofort zu reagieren. Gleiches gilt für kollaborative Roboter. Dies erfordert Systeme, die mindestens 10 GbE Konnektivität bieten sowie die Fähigkeit, eine große Anzahl paralleler Recheneinheiten zu verwenden, um beispielsweise Daten von Bildsensoren vorzuverarbeiten oder komplexe Deep-Learning-Algorithmen auszuführen. Heutzutage werden GPGPUs zunehmend verwendet, um solche flexiblen und multifunktionalen Aufgaben zu erfüllen. Sie ersetzen oft FPGAs und DSPs und benötigen eine Hochgeschwindigkeitsverbindung zu CPU-Kernen, und dieser Bedarf steigt mit der Komplexität der Aufgaben. Mit ihren mehreren PCIe-Lanes können COM-HPC-Systeme deutlich mehr Beschleunigerkarten für größere Leistungssteigerungen aufnehmen, als es COM Express jemals könnte.
Massiv parallele Datenverarbeitung
Eine Konfiguration, die leistungsstarke CPUs und massiv parallele Datenverarbeitungsfähigkeit kombiniert, ist auch in der Bildgebung im Gesundheitswesen erforderlich, wo der Einsatz künstlicher Intelligenz zur Unterstützung der medizinischen Diagnose auf der Grundlage vorhandener Befunde zunimmt. Die gleichen Leistungsanforderungen gelten für die unzähligen Bildverarbeitungssysteme, die in industriellen Inspektionssystemen und öffentlichen Videoüberwachungssystemen verwendet werden. Auch der gesamte Bereich der Industrie 4.0-Anwendungen benötigt eine leistungsfähigere Konnektivität, da immer mehr autarke Maschinen und Anlagen vernetzt werden. All dies erhöht die Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsschnittstellen in eingebetteten Systemen, um leistungsstarke Internetlösungen zu implementieren, einschließlich TSN-Unterstützung für Echtzeit-Touch-Verhalten. Außerdem müssen immer mehr Workloads auf einem einzigen System konsolidiert werden. Dazu gehören neben der Datenvorverarbeitung in Vision- und Deep-Learning-Systemen auch Firewalls und Detektionssysteme zur Intrusion Detection, die parallel zu laufenden Anwendungen nahezu identische Lasten verarbeiten müssen. Dies verdoppelt die Anforderungen und schreibt den Einsatz von Hypervisor-Technologien für echtzeitfähige virtuelle Maschinen vor, wie beispielsweise den RTS-Hypervisor von Real-Time Systems. Weitere Anwendungen sind Datensammler für Automotive-Testsysteme und Messtechnik für 5G sowie industrielle Speichersysteme mit schnellem NVMe-Speicher, die über PCIe angebunden sind. Auch Edge-Logik für 5G-Funktürme und modulare Blades in industriellen Serverschränken können von leistungsstarken COM-Modulen profitieren.
Bis zu einem Terabyte RAM
COM HPC wird diesen Hochgeschwindigkeits-Leistungsanforderungen mit bis zu 100 GbE, bis zu 32 Gb/s PCIe Gen 4 und Gen 5 sowie bis zu 8 DIMM-Sockeln und Hochgeschwindigkeitsprozessoren mit mehr als 200 Watt Leistung gerecht. Der neue Standard unterscheidet zwei grundlegende Varianten: Headless COM HPC Servermodule, die auch als SoM-Module (Server-on-Modules) bezeichnet werden können, und COM HPC Client-Module, die dem Konzept von COM Express Type 6-Modulen folgen Module können mit ihren 1,0 DIMM-Sockeln satte 8 Terabyte RAM aufnehmen. Sie laufen auch mit bis zu 8 x 25 GbE und unterstützen bis zu 64 PCIe-Lanes der 4. oder 5. Generation, was eine E/A-Leistung von bis zu 256 GB/s bedeutet. Eine solche blitzschnelle Konnektivität fällt in die Klasse der Embedded-Edge-Server, wobei die neuen PCIe-Lanes Übertragungsgeschwindigkeiten von über 32 Gbit/s mit PCIe Gen 5 bieten Komponenten mit der Fähigkeit, 28 Gbit/s Non-Return-to-Zero (NRZ) zu übertragen, sind jetzt verfügbar. Zusätzlich sind über die 2 Pins bis zu 4 extrem leistungsfähige USB 800 Schnittstellen geplant. Basierend auf Thunderbolt 3.0 bieten diese Schnittstellen 40 Gigabit pro Sekunde (Gbps). Das entspricht etwa 5 Gigabyte (GB) pro Sekunde und ist etwa doppelt so schnell wie USB 3.2 mit maximal 20 Gbps, das ebenfalls bis zu 2-fach unterstützt wird. Weitere 4 USB 2.0-Schnittstellen runden die USB-Optionen der HPC COM-Servermodule ab. Neben nativem 2x SATA werden auch eSPI, 2xSPI, SMB, 2x I2C, 2xUART und 12 GPIO unterstützt, um einfache Peripherie und Standard-Kommunikationsschnittstellen zB für Servicezwecke einzubinden.
Verwaltung der Serverplatine
Ein weiteres neues Feature von COM-HPC ist die integrierte Systemverwaltungsoberfläche. Diese Softwareschnittstelle, die derzeit vom PICMG-Unterausschuss definiert wird, soll eine kleine Teilmenge der leistungsstarken und komplexen IPMI-Definition in der COM-HPC-Spezifikation enthalten, um eine einfache Implementierung der vollen Serverfunktionalität zu ermöglichen. Mit dieser Schnittstelle bietet COM-HPC echte Edge-Server-Funktionen, die durch die Integration geeigneter Server-artiger BMC-Controller (Board Management Controllers) auf Motherboards erheblich erweitert werden können. Relevante Konstruktionsrichtlinien für Trägerplatten werden benötigt, um Neueinsteigern den Einstieg in die Norm zu erleichtern. Die Spezifikation wird auch die Möglichkeit bieten, COM-HPC-Gerätemodule für Grafikprozessoren oder FPGAs zu entwickeln. Dazu definiert die Spezifikation PCIe-Takteingänge, sodass auch COM-HPC-Module als Clients verwendet werden können. Dadurch ist es möglich, flexible und kompakte heterogene Computerlösungen zu entwerfen, ohne dass komplexe Riser-Karten erforderlich sind, während Grafikkarten traditionell für PCIe-Sockel gebaut werden, die in einem 90-Grad-Winkel zum Motherboard montiert werden. Sie bieten auch deutlich weniger Anschlussmöglichkeiten. Gleiches gilt für die alternativen MXM3-Grafikkarten, da auch diese nur über 314 Pins verfügen. Da COM-HPC extrem dünne modulare Designs, auch für GPGPU, ermöglicht, ist es dann möglich, schmale Steckplatzkarten für Racksysteme zu entwerfen, die sowohl COM-HPC-Servermodule als auch Beschleunigermodule auf Basis von GPGPU, FPGA oder DSP anbieten. Passende Lösungen für alle drei Beschleunigermodul-Varianten werden bereits entwickelt, sodass COM-HPC nicht mehr nur ein Standard für Embedded-Edge-Server-Prozessoren ist, sondern auch für GPGPU-, FPGA- und DSP-Erweiterungen verwendet werden kann.
800 Pins statt 440
Neben dieser Klasse von Ultrahochleistungs-Embedded-Edge-Servern, die einen völlig neuen Standard für robustes Embedded-Computing setzen, sitzt die zweite Kategorie der COM-HPC-Client-Module etwas diskreter über der COM-Express-Typ-6-Spezifikation nur bis zu vier SO-DIMM-Sockel aufnehmen, macht vor allem die Anzahl der Pins einen entscheidenden Unterschied: 800 Pins bieten deutlich mehr Schnittstellenoptionen als die 440 Pins von COM Express. Aber solange COM Express auch mit PCIe Gen 4 umgehen kann, was zumindest hinsichtlich der Abwärtskompatibilität anzunehmen ist, müssen Entwickler von COM-Express-Systemen nicht auf COM-HPC-Client-Module umsteigen. Neben 49 PCIe-Lanes (COM Express Type 6 bietet nur 24) gibt es jetzt erstmals zwei 25-GbE-KR-Schnittstellen und bis zu zwei 10-Gb-BaseT-Schnittstellen, was deutlich mehr ist als das aktuelle Single-GbE-LAN.
Ein weiteres attraktives Merkmal sind bis zu zwei MIPI-CSI-Schnittstellen, die kostengünstige Kameraverbindungen für Situationsbewusstsein und kollaborative Robotik ermöglichen. Viele Entwickler werden auch die komfortablen, vielseitigen und extrem leistungsstarken USB 4.0-Schnittstellen zu schätzen wissen, die neben 4x USB 2.0 angeboten werden. Es wird bis zu vier geben, um ultraschnellen Speicher mit bis zu 40 Gbit/s oder bis zu zwei 4K-Displays samt Netzteil und integriertem 10-GbE-Networking über ein einziges USB-C-Kabel anzuschließen. Auch die Grafik wurde korrigiert. Die Unterstützung umfasst jetzt 3x dedizierte DDI-Schnittstellen. Spezielle Designs für DisplayPort-, DVI-I/VGA- und DVI-I-, HDMI- oder DVI-zu-LVDS-Konverter laufen jetzt auf dem Motherboard. Weitere Schnittstellen sind 2x SoundWire und I2S sowie 2x SATA; eSPI, 2xSPI, SMB, 2x I2C, 2x UART und 12 GPIO runden das Feature-Set ab.
SoundWire, das als neue Schnittstelle in die Spezifikation aufgenommen wurde, wird die derzeit verwendete HDA-Schnittstelle ersetzen. SoundWire ist ein MIPI-Standard, der nur zwei Takt- und Datenkanäle benötigt, die mit bis zu 2.288 MHz getaktet sind, um bis zu vier Audio-Codecs parallel zu verbinden. Jeder Codec erhält eine eigene ID, die ausgewertet wird. OEMs, die mit einem der an der neuen Spezifikation beteiligten Unternehmen in Geschäftsbeziehung stehen, können bereits geeignete Motherboard-Designs initiieren, solange sie diese unter NDA halten und nicht an Dritte weitergeben. Die neue Spezifikation wird erst nach der offiziellen Veröffentlichung als offener Standard verfügbar sein. Zu den Mitgliedern des PICMG COM-HPC-Unterausschusses gehören 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, Universität Bielefeld, VersaLogic Corp. Adlink, congatec und Kontron sind Sponsoren des Komitees, während Christian Eder, Marketing Director von congatec, Vorsitzender des COM-HPC-Komitees ist. Er hat auch eine wichtige Rolle bei der Entwicklung des bestehenden COM-Express-Standards gespielt, als Entwurfsredakteur Stefan Milnor von Kontron und Dylan Lang von Samtec Christian Eder in seinen Rollen als Herausgeber und Sekretär des PICMG COM-HPC-Komitees unterstützen. Weitere Informationen zum neuen Computer-on-Module-Standard COM-HPC und seiner Verbreitung finden Sie unter: https://www.congatec.com/COM-HPC y https://www.picmg.org/openstandards/development/
Motherboard-Designs im Server-Stil
Entwickler, die heute mit dem Design von COM-HPC-Trägerplatinen auf Edge-Server-Ebene beginnen möchten, sollten sich das Mini-STX-Motherboard conga-STX7 / Carrier ansehen. Es misst genau 5,5 x 5,8 Zoll und wurde für COM Express Type 7 SoM-Module entwickelt, beeindruckt jedoch mit einem Board Control Controller (BMC) im Embedded-Server-Stil, der vollen Out-of-Service-/Out-of-Band-Zugriff bietet hocheffiziente Fernüberwachungs-, Verwaltungs- und Wartungsfunktionen. Es enthält einen Aspeed AST2500 BMC, der auf einem 11-MHz-ARM800-Prozessor basiert, DDR4 mit 1600 Mbit/s unterstützt und einen On-Chip-PCIe-2D-VGA für die Verwaltungskonsole bereitstellt. Congatec hat die Controller-Firmware optimiert, um die Verwaltungsanforderungen von eingebetteten Mikro- und Edge-Servern auf Basis von COM-Modulen zu erfüllen. Dazu gehört die Fähigkeit, die vorhandenen eingebetteten APIs der PICMG-Standards zu verwenden, um alle erforderlichen Alarm- und Ereignisprotokolle im Remote-Management-System durch diese Sensorimplementierung zu implementieren. Darüber hinaus wurden IPMI-Befehle für Gehäusestromsteuerung, KVM und Medienumleitungsfunktionen implementiert, um lokal angeschlossene Serverkonsolen und Remote-KVM zu unterstützen. Eine Debugging-Gastkonsole mit Ausgangsumschaltung zwischen verschiedenen Hostsystemzielen vervollständigt Version 1.0 dieser Version.
