Verstehen des COM-HPC-Standards für modulare Systemdesigns

Die Embedded-Computing-Branche steht kurz vor der Einführung von COM-HPC als Standard der nächsten Generation für modulare Systemdesigns. Da COM-HPC komplex ist und manchmal missverstanden wird, sind klare Informationen erforderlich.

Einige sehen den COM-HPC-Standard der PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) als eine völlig neue Plattform für ganz neue Anwendungen. Das glaubt auch das Lager der Embedded-Edge-Server, das massive Workloads in rauen Umgebungen bewältigen muss. Das zweite Lager sind die bestehenden COM Express-Benutzer. Sie interessieren sich weniger für die Server-Module, sondern eher für die Client-Module des neuen COM-HPC-Standards. Sie sind etwas skeptischer gegenüber COM-HPC. Sie wollen bestehende COM-Express-Investitionen schützen und fragen sich:Wie lange wird COM Express verfügbar sein und muss ich jetzt auf COM-HPC umsteigen? Welche Vorteile habe ich für meine Kunden? Für sie ist es am wichtigsten zu wissen, welche Vorteile die COM-HPC Client Module bieten und wie sie sich von COM Express unterscheiden. COM-HPC spricht daher zwei separate Zielgruppen mit jeweils unterschiedlichen Bedürfnissen an. Welches Potenzial haben die beiden neuen Unterspezifikationen und wie unterscheiden sie sich?

Offene Standardplattform für eingebettete Server

Eine kurze Geschichte der Hochleistungsstandards
Computer-on-Module

Jahr Details 2001Gründung der ETX-IG und Einführung des ersten herstellerunabhängigen Modulstandards2005PICMG veröffentlicht COM Express 1.0 Spezifikation2010COM Express 2.0 Spezifikation2012Umsatz von COM Express Modulen übertrifft ETX2012COM Express 2.1 Spezifikation2018Gründung des PICMG COM-HPC Committee2019Veröffentlichung der COM-HPC Pinbelegung2020Start der COM-HPC-Spezifikation

Offene und herstellerunabhängige Computer-on-Module-Standards sorgen dafür, dass Anwendungen einen Lebenszyklus von mehreren Jahrzehnten haben. OEMs können heute noch neue ETX-Module erwerben, obwohl dieser Formfaktor rein auf Legacy-Bussen basiert. Dank Abwärtskompatibilität wird es auf PCIe basierende Standards noch länger geben.

COM-HPC Server ist der erste wirklich offene Standard für die Entwicklung modularer Embedded-Rack-Server- und Box-Server-Designs für raue Umgebungen. In der heutigen klassischen Serverwelt werden applikationsfertige Prozessormodule noch selten genutzt, obwohl dieser Ansatz viele Vorteile bietet. So lassen sich beispielsweise spezifische Größen- und I/O-Anforderungen ganz einfach realisieren:Entwickler müssen lediglich das passende anwendungsspezifische Trägerboard designen; die komplexen Kernkomponenten wie Prozessor, RAM und Highspeed-Schnittstellen können in einem standardisierten Modul bezogen werden.

Da das Carrierboard-Design weniger Aufwand erfordert als das Full-Custom-Design, lässt sich dieser Ansatz auch auf kleinere Produktserien effizient anwenden, wo Standardprodukte bisher oft ein unbefriedigender, aber unvermeidlicher Kompromiss waren. Darüber hinaus reduziert das modulare Konzept auch die Kosten für Leistungssteigerungen deutlich. Im Vergleich zum vollständigen Austausch eines 1HE- oder 3HE-Racksystems kann ein modulares Serverdesign die Kosten für ein Upgrade um rund 50 % senken, da nur das Modul ausgetauscht wird. Dieser Ansatz verbessert somit die Nachhaltigkeit der Investition sowie die langfristige Verfügbarkeit und den ROI der Lösungen, da sie länger genutzt werden können.

Mehr Recheneinheiten in einem Standard

Neben den generischen Vorteilen eines modularen Konzepts bietet COM-HPC Server auch einige technische Raffinessen, die bisher in Modulen in dieser Form nicht zur Verfügung standen. Der COM-HPC-Standard ist beispielsweise nicht auf x86-Prozessoren beschränkt, sondern sieht ausdrücklich die Verwendung von RISC-Prozessoren, FPGAs und Allzweck-Grafikprozessoren (GPGPUs) vor. Erste Muster mit solchen alternativen Recheneinheiten wurden am PICMG-Stand während der Embedded World gezeigt.

Damit ist es erstmals möglich, heterogene Serverdesigns mit einer Vielzahl von Rechen- und Beschleunigereinheiten innerhalb einer einzigen offiziellen Spezifikation und eines standardisierten Ökosystems zu entwickeln und zu implementieren. Um dies zu erleichtern, unterstützt die neue Spezifikation erstmals auch Slave-Modi für die Module. OEMs profitieren nicht nur von einem vereinfachten und effizienteren Design-In, sondern können ihr Know-how auch effektiver wiederverwenden.

Mehr Platz für mehr Leistung

COM-HPC Server-Module zielen darauf ab, Edge- und Fog-Server-Anwendungen die hohe Rechenleistung zu liefern, die von den neuen Embedded-Edge-Server-Prozessoren benötigt wird, die Halbleiterhersteller voraussichtlich in Kürze auf den Markt bringen werden. Das maximal angegebene Leistungsbudget von 300 Watt für COM-HPC Server-Module gibt zumindest mittelfristig einen Hinweis auf die zu erwartende Leistung. Zum Vergleich:Das derzeit leistungsstärkste COM Express Typ 7 Server-on-Module erlaubt maximal 100 Watt. Skalieren Sie dies unter Berücksichtigung des prognostizierten Leistungssprungs, und es ist leicht ersichtlich, dass COM-HPC in Zukunft immense Serverlasten abdecken kann.

Neben diesem Leistungspotenzial ist es wichtig, wie viel Platz die Module für die Prozessoren oder alternative Recheneinheiten bieten. Deutlich wird dies beim Blick auf die aktuellen Hochleistungs-CPUs von Intel und AMD mit 16 oder mehr Kernen oder die leistungsstarken FPGAs, die handtellergroß sein können. Für sie bietet COM-HPC Server Modul-Footprints von 200 mm x 160 mm (Größe E) bzw. 160 mm x 160 mm (Größe D), wie in Abbildung 1 dargestellt. Diese vergleichsweise großen Footprints vereinfachen auch die Wärmeableitung und bieten Platz für größere Kühlkörper, die Wärmeverluste effizienter verteilen können.

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Abbildung 1:COM-HPC-Server spezifiziert zwei unterschiedliche Footprints:Größe E mit Platz für bis zu 8 DIMM-Sockel für derzeit 1 Terabyte RAM, und der 20 % kleinere Größe D-Footprint für 4 DIMM-Sockel. COM-HPC Server und Client verwenden zwar die gleichen Anschlüsse mit 2x 400 Pins, sind jedoch in unterschiedlichen Abständen zueinander positioniert. Dies verhindert Schäden durch versehentliches Anbringen des falschen Modultyps (Quelle:congatec).

Mehr Speicherleistung

Mit diesen großen Footprints bieten die COM-HPC Server Module auch mehr Speicherleistung. Sie bieten ausreichend Platz für vollwertige DIMM-Speichermodule, die den hohen Speicherbandbreiten- und Größenanforderungen von Micro-, Edge- und Fog-Servern gerecht werden. In der Größe E können sie bis zu 8 DIMM-Steckplätze für derzeit bis zu 1,0 Terabyte Speicher beherbergen. In der Größe D können sie maximal 4 DIMM-Steckplätze für derzeit bis zu 512 Gigabyte Speicher beherbergen.

Mehr E/A-Leistung

Für die Trägerplatinenverbindung definiert COM-HPC Server 8x 25 GbE sowie 65 PCIe-Lanes für PCI Express Gen 4.0 und Gen 5.0 (Abbildung 2). Eine dieser Lanes ist für die Kommunikation mit einem optionalen Board Management Controller (BMC) auf dem Trägerboard reserviert, während die restlichen 64 PCIe-Lanes zum Anschluss von Peripheriegeräten verwendet werden können.

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Abbildung 2:Die wichtigsten Merkmale der COM-HPC Server-Module:Außerordentlich viele Highspeed-Schnittstellen, herausragende Netzwerkbandbreite und Headless-Server-Performance (Quelle:congatec).

Damit bietet COM-HPC Server eine extrem breite und leistungsfähige Konnektivität, um beispielsweise zusätzliche Rechenbeschleuniger wie GPGPUs, FPGAS und ASICS – etwa in Form passender COM-HPC-Module – oder NVMe-basierte Speichermedien anzubinden. Insgesamt profitieren COM-HPC Server-Designs von einer I/O-Performance von bis zu 256 Gigabyte/s über PCIe. Weitere 2x 40 Gigabit/s können über die beiden USB-4.0-Schnittstellen bei Thunderbolt-3.0-Versionen sowie 2x 20 Gigabit/s über die beiden angegebenen USB-3.2-Schnittstellen hinzugefügt werden. Vier zusätzliche USB 2.0-Schnittstellen runden das USB-Angebot der COM-HPC Server Module ab. Sie unterstützen neben 2x nativem SATA auch eSPI, 2xSPI, SMB, 2x I2C, 2xUART und 12 GPIOs zur Einbindung einfacher Peripherie und Standard-Kommunikationsschnittstellen, beispielsweise für Servicezwecke. Ein zusätzlicher 10-Gb-Ethernet-Port bietet einen dedizierten Kommunikationskanal, der für Remote- und Out-of-Band-Management verwendet werden kann.

Optimiertes Board-Management auf Server-Niveau

Eine weitere Branchenneuheit, die von COM-HPC eingeführt wurde, ist eine dedizierte Systemverwaltungsschnittstelle. Diese Schnittstelle wird derzeit im PICMG Remote Management Subcommittee entwickelt. Ziel ist es, Teile des in der Intelligent Platform Management Interface (IPMI) spezifizierten Funktionsumfangs für das Remote Edge Server Modul Management verfügbar zu machen. Analog zur Slave-Funktion wird COM-HPC daher auch erweiterte Kommunikationsfunktionen für das Remote-Management bereitstellen. Dank dieser Funktion können OEMs und Benutzer Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Wartbarkeit und Sicherheit (RAMS), eine gemeinsame Reihe von Anforderungen für Server, gewährleisten. Für individuelle Bedürfnisse kann diese Funktion über den optionalen Board Management Controller auf dem Trägerboard erweitert werden. Damit steht OEMs eine einheitliche Basis für das Remote Management zur Verfügung, die an spezifische Anforderungen angepasst werden kann.

COM-HPC-Client – ​​größer, schneller, mehr

Während sich die COM-HPC Server Spezifikation auf völlig neue Embedded Edge Server Designs konzentriert, gibt es natürlich auch die „klassischen“ Hochleistungs-Embedded-Systeme, die bisher COM Express Typ 6 nutzen. OEMs fragen sich, ob COM-HPC ihre bestehenden COM-Express-Designs obsolet macht, wann der beste Zeitpunkt für einen Umstieg auf COM-HPC wäre und welche Vorteile COM-HPC für sie und ihre Kunden bietet. Um diese Fragen zu beantworten, ist es wichtig, im Detail zu wissen, welche Funktionen COM-HPC-Client-Module bieten und diese mit den COM-Express-Funktionen zu vergleichen.

Drei Größen

In vielerlei Hinsicht weisen die beiden Standards mehr Ähnlichkeiten als Unterschiede auf. Wie COM Express spezifiziert COM-HPC Client drei Modulgrößen:120 mm x 160 mm (Größe C), 120 mm x 120 mm (Größe B) und 120 mm x 95 mm (Größe A). Das bedeutet, dass der kleinste Footprint des COM-HPC-Clients praktisch identisch mit COM Express Basic ist, das 125 mm x 95 mm misst. Dies allein zeigt, dass der COM-HPC-Client über COM Express sitzt und Anwendungen adressiert, die mit COM Express nicht erreicht werden können. (Abbildung 3).

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Abbildung 3:COM Express und COM-HPC Client definieren beide drei verschiedene Footprints. Bei der kleinsten COM-HPC-Größe A, die fast identisch mit COM Express Basic ist, ist jedoch sofort ersichtlich, dass COM-HPC über COM Express positioniert ist (Quelle:congatec).

Mehr Leistung

Dies spiegelt sich auch im unterstützten Leistungsbudget von 200 Watt wider, das etwa dreimal so hoch ist wie bei den heute leistungsstärksten COM-Express-Typ-6-Modulen. Was den Speicher betrifft, so verwenden COM-HPC Client und COM Express beide SODIMMS oder verlöteten Speicher, COM-HPC kann mit bis zu 4 SODIMM-Sockeln mehr Speicher aufnehmen. Da COM Express jedoch bereits heute 96 GByte unterstützt, erfüllt es auch hohe Speicheranforderungen.

Mehr und schnellere Schnittstellen

Aus Layout-Sicht betrifft der wichtigste Unterschied zwischen COM-Express- und COM-HPC-Modulen den Stecker und die Anzahl der Signalpins, die das Modul mit der anwendungsspezifischen Trägerplatine verbinden, wie Abbildung 4 zeigt.

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Abbildung 4:COM-HPC-Client und COM-Express-Typ-6-Schnittstellen unterscheiden sich hauptsächlich in der Anzahl der PCIe-Lanes und der Bandbreite, den Ethernet-Schnittstellen und USB-Ports sowie der noch zu spezifizierenden erweiterten Remote-Management-Unterstützung ( Quelle:congatec).

COM-HPC nutzt einen neuen Anschluss, der für die neuesten Hochgeschwindigkeitsschnittstellen entwickelt wurde und bereits für die hohen Taktraten von PCIe 5.0 und 25 Gb/s spezifiziert ist. COM Express unterstützt PCIe Gen 3.0 und PCIe 4.0 im Kompatibilitätsmodus. Aber natürlich müssen erst einmal Embedded-Prozessoren mit PCIe Gen 4.0 verfügbar werden. COM-HPC unterstützt wie COM Express zwei Anschlüsse, jedoch mit jeweils 400 Pins. Mit insgesamt 800 Signalpins hat COM-HPC also fast doppelt so viele Pins wie COM-Express-Typ-6-Module mit 440 Pins. Das bietet natürlich auch Platz für viele weitere Schnittstellen.

COM-HPC-Client-Module nutzen diese für 49 PCIe-Lanes zum Trägerboard, von denen eine wiederum für die Kommunikation mit dem BMC des Trägerboards vorgesehen ist. Das sind doppelt so viele Lanes wie COM Express Typ 6 mit maximal 24 Lanes bietet. Direkt am Modul sind außerdem zwei 25 GbE KR Ethernet und bis zu zwei 10 Gb BaseT Schnittstellen vorhanden. COM Express Type 6 unterstützt 1x 1 GbE, mit der Möglichkeit, weitere Netzwerkschnittstellen über das Carrier Board zu realisieren.

4x Grafiken

Die Grafikunterstützung ist in beiden Standards identisch; Gleichzeitig unterscheidet es diese Module von den Headless COM Express Server-on-Modules und COM-HPC Server Modulen. Beide Standards unterstützen bis zu vier Displays über drei Digital Display Interfaces (DDI) und 1x Embedded DisplayPort (eDP). Bei Multimedia-Schnittstellen verwendet COM-HPC SoundWire anstelle der für COM Express spezifizierten HDA-Schnittstelle. SoundWire ist ein neuer MIPI-Standard, der nur zwei Lanes benötigt:Takt und Daten, mit einer Taktrate von bis zu 12,288 MHz. Über diese beiden Lanes können bis zu 4 Audio-Codecs parallel geschaltet werden, wobei jeder Codec eine eigene ID zur Analyse erhält.

Mehr USB-Bandbreite plus MIPI-CSI

Auch hinsichtlich der unterstützten USB-Standards zukunftsorientiert, spezifiziert COM-HPC vier USB-4.0-Schnittstellen, ergänzt um 4x USB 2.0. Damit bieten COM-HPC-Client-Module zwar vier USB-Ports weniger als COM-Express-Typ-6-Module, die bis zu 4x USB 3.1 und 8x USB 2.0 ausführen, dies wird jedoch durch mehr Bandbreite kompensiert, da USB 4.0 auf Übertragungsraten von bis zu ausgelegt ist bis 40 Gbit/s. Ein weiteres attraktives Merkmal der COM-HPC-Client-Module ist, dass sie zwei MIPI-CSI-Schnittstellen bieten, die kostengünstige Kameraverbindungen für Situationsbewusstsein und kollaborative Robotik ermöglichen.

COM-HPC Client bietet außerdem 2x SATA-Schnittstellen zum Anschluss herkömmlicher SSDs und HDDs, die heute fast schon Legacy-Geräte sind, sowie industrielle Schnittstellen wie 2x UART und 12x GPIO. 2x I2C, SPI und eSPI vervollständigen den Funktionsumfang. All diese Eigenschaften sind vergleichbar mit COM Express Typ 6 Modulen, die im Gegensatz zu COM-HPC als Alleinstellungsmerkmal optional den CAN-Bus über den Stecker bieten.

Den Unterschieden nach zu urteilen, können OEMs mit COM Express-basierten Designs sicher sein, dass sie mit COM Express viele Jahre lang gute Dienste leisten werden. Das liegt auch daran, dass COM-HPC keinen neuen Systembus einführt – im Gegensatz zu den Umstiegen von ISA auf PCI und von PCI auf PCI Express. Zu bedenken ist auch, dass COM-Express-Module erst 2012 – also gut 11 Jahre nach Einführung von ETX – ETX als meistverkaufte Module abgelöst haben. Und noch heute werden ETX-Module verkauft. Da PCIe-Generationen abwärtskompatibel zu ihren Vorgängern sind, werden Designs mit PCIe Gen 3.0 auch nach Einführung von PCIe Gen 4.0 auf allen Prozessorebenen noch lange im Einsatz bleiben. Solange die angegebene Schnittstellenspezifikation ausreichend ist, müssen Sie also absolut nichts ändern.

Wenn Sie jedoch mehr als 32 PCIe-Lanes benötigen oder PCIe 4.0 in voller Bandbreite, USB 4.0 mehrere 25 Gbit/s Ethernet und/oder erweiterte Remote-Management-Funktionen benötigen, lohnt sich der Wechsel. Ansonsten halte dich an das Motto ‚Never change a running system‘.