COM-HPC: Der nächste Generation Open Standard für modulare Embedded-Systeme

Embedded Computing steht vor der Einführung von COM-HPC, dem nächsten Generation Open Standard für modulare Systemdesigns. Da seine Architektur komplex und oft missverstanden wird, ist klare Orientierung essenziell.

Stakeholder betrachten COM-HPC durch zwei Linsen. Die Embedded-Edge-Server-Community sieht darin eine Plattform für hochleistungsfähige, robuste Workloads, während bestehende COM-Express-Nutzer auf Client-Module und deren Evolution fokussieren. Sie fragen, ob jetzt der Übergang sinnvoll ist und welche greifbaren Vorteile der neue Standard liefert.

Open Standard Plattform für Embedded Server

Kurze Geschichte der High-Performance
Computer-on-Module Standards

Jahr Details

2001 Gründung der ETX-IG und Launch des ersten herstellerunabhängigen Modulstandards

2005 PICMG veröffentlicht COM Express 1.0 Spezifikation

2010 COM Express 2.0 Spezifikation

2012 COM Express Modulverkäufe übersteigen ETX

2012 COM Express 2.1 Spezifikation

2018 Gründung des PICMG COM-HPC Komitees

2019 Release des COM-HPC Pinouts

2020 Launch der COM-HPC Spezifikation

Da Computer-on-Module (CoM) Standards offen und herstelleragnostisch sind, genießen darauf basierende Produkte multi-dekadische Lebenszyklen. OEMs können heute noch legacy ETX Module ordern, und PCIe-basierte Standards versprechen durch Rückwärtskompatibilität noch längere Relevanz.

COM-HPC Server ist der erste wirklich offene Standard für modulare Embedded Rack- und Box-Server-Designs in rauen Umgebungen. In der klassischen Server-Landschaft werden anwendungsfertige Prozessor-Module noch selten genutzt, doch sie erschließen signifikante Vorteile.

Durch Bereitstellung von Prozessoren, Speicher und High-Speed-Interfaces in einem einzigen, standardisierten Modul können Designer sich auf Anpassung des Carrier Boards an präzise Größen- und I/O-Anforderungen fokussieren. Dieser Ansatz strafft Designzeit, ermöglicht schnellen Time-to-Market und reduziert Produktionskosten – besonders bei Kleinserien, wo volles Custom-Design prohibitiv wäre.

Da nur das Modul bei Upgrade getauscht wird, können Kosten um ca. 50 % gegenüber vollem Austausch eines 1U oder 3U Rack-Systems gesenkt werden. Resultat ist nachhaltigere Investition und erweiterter ROI über Produktlebenszyklus.

Über generische Vorteile hinaus führt COM-HPC Server technische Verfeinerungen ein, die in diesem Formfaktor zuvor nicht verfügbar waren. Die Spezifikation ist nicht auf x86 CPUs limitiert; sie unterstützt explizit RISC-Prozessoren, FPGAs und GPGPUs. Erste Samples mit diesen alternativen Compute-Units wurden auf Embedded World 2023 gezeigt.

Erstmals können OEMs heterogene Server-Architekturen designen, die multiple Compute- und Accelerator-Typen in einem einzigen, offiziell spezifizierten Ökosystem kombinieren. Die Spezifikation definiert auch einen Slave-Modus für Module, was Designern noch mehr Flexibilität zur Integration legacy Komponenten gibt.

COM-HPC Server Module zielen auf Edge- und Fog-Server, die hohe Compute-Performance kommender Prozessoren fordern. Mit maximalem Power-Budget von 300 W verspricht der Standard Performance-Level weit über heutige 100 W-limitierte COM Express Type 7 Module. Kombiniert mit erwarteten Performance-Sprüngen next-gen CPUs ist COM-HPC positioned, enorme Server-Lasten zu bewältigen.

Große Footprints vereinfachen Kühlung und ermöglichen potente CPUs oder FPGAs. COM-HPC Server bietet zwei Footprints: Size E (200 mm × 160 mm) mit bis zu acht DIMM-Sockeln für 1 TB RAM, und Size D (160 mm × 160 mm) mit vier DIMM-Sockeln für 512 GB. Die Abbildung unten illustriert die zwei Größen.

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Abbildung 1: COM-HPC Server spezifiziert zwei Footprints – Size E mit bis zu acht DIMM-Sockeln für 1 TB Speicher, und Size D mit vier Sockeln für 512 GB. Connector-Layout unterscheidet sich zur Verhinderung versehentlicher Fehlmontage (Quelle: congatec).

Die vergrößerten Footprints erlauben volle DIMM-Module, liefern Bandbreite und Kapazität für Micro-, Edge- und Fog-Server. Size E unterstützt bis zu 8 DIMMs (≈ 1 TB), Size D bis zu 4 DIMMs (≈ 512 GB).

COM-HPC Server definiert 8 × 25 GbE Ports und 65 PCIe Lanes (Gen 4.0/5.0). Ein Lane ist für optionalen Board-Management-Controller reserviert; die verbleibenden 64 Lanes speisen Peripheriegeräte, ermöglichen I/O-Durchsatz bis 256 GB/s.

Mit seiner umfangreichen I/O-Matrix kann COM-HPC Server Acceleratoren hosten – GPGPUs, FPGAs, ASICs – sowie NVMe-Speicher. Zwei USB 4.0 (40 Gb/s) Ports auf Thunderbolt 3.0 Interface und zwei USB 3.2 (20 Gb/s) Ports ergänzen die PCIe Lanes, während zusätzliche USB 2.0, SATA, eSPI, SPI, SMB, I²C, UART und GPIO Interfaces den Feature-Set abrunden. Ein dedizierter 10 GbE Port unterstützt Remote Management.

COM-HPC führt ein dediziertes System-Management-Interface ein, in Entwicklung durch PICMG Remote Management Subcommittee. Es bringt IPMI-abgeleitete Features für Remote Edge-Server Modul Management, einschließlich Reliability, Availability, Maintainability und Safety (RAMS). OEMs können Funktionalität via optionalen Board-Management-Controller auf Carrier Board erweitern.

COM-HPC Client – Größer, Schneller, Mehr

Während COM-HPC Server neue Embedded Edge-Server-Designs zielt, dominieren noch immer „klassische“ High-Performance Embedded Systeme – historisch basierend auf COM Express Type 6 – viele Märkte. OEMs fragen natürlich, ob COM-HPC ihre bestehenden Designs obsolet macht, wann zu wechseln und welche Vorteile sie für Kunden erwarten können.

Drei Größen

Beide Standards definieren drei Modulgrößen. COM-HPC Client nutzt 120 mm × 160 mm (Size C), 120 mm × 120 mm (Size B), und 120 mm × 95 mm (Size A). Der kleinste Footprint ist fast identisch zu COM Express Basic (125 mm × 95 mm), demonstrierend dass COM-HPC über COM Express positioniert ist und Applikationen jenseits dessen Reich adressiert.

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Abbildung 3: COM Express und COM-HPC Client teilen drei Footprints; kleinster COM-HPC Size A ist virtuell identisch zu COM Express Basic, illustrierend höhere Positionierung von COM-HPC (Quelle: congatec).

Mehr Power

Die Spezifikation erlaubt 200 W Power Budget – grob dreifach dem Limit heutiger stärksten COM Express Type 6 Module. Beide Standards unterstützen SODIMM oder aufgelöteten Speicher; COM-HPC Client kann bis zu vier SODIMM-Sockeln hosten, was größere Speicherkapazitäten ermöglicht, während COM Express bereits bis 96 GB unterstützt.

Mehr und Schnellere Interfaces

Der Schlüsselunterschied liegt im Connector und Pin-Count. COM-HPC Client führt 400-Pin-Connector ein (zwei Connectoren für total 800 Pins), nearly doppelt so viel wie 440 Pins von COM Express Type 6. Dieser zusätzliche Pin-Count accommodates mehr PCIe Lanes, höhergeschwindiges Ethernet und zusätzliche USB Ports.

COM-HPC Client bietet 49 PCIe Lanes zum Carrier Board – doppelt so viel wie 24 Lanes in COM Express Type 6 – während ein Lane dem Board-Management-Controller vorbehalten bleibt. Zwei 25 GbE KR Ethernet Ports und bis zu zwei 10 Gb Base-T Ports sind direkt auf Modul integriert. Im Kontrast bietet COM Express Type 6 einzelnen 1 GbE Port mit optionalen zusätzlichen Interfaces auf Carrier Board.

Grafik und Audio

Beide Standards unterstützen bis zu vier Displays via drei DDI Ports und einem embedded DisplayPort. COM-HPC ersetzt HDA Audio Interface mit SoundWire, einem MIPI-basierten Standard, der nur zwei Lanes (Clock und Data) benötigt und bis zu vier Audio Codecs unterstützt.

USB Bandbreite und MIPI-CSI

COM-HPC Client liefert vier USB 4.0 Ports (40 Gb/s) und vier USB 2.0 Ports, bietet höhere aggregierte Bandbreite als COM Express Type 6s 4 × USB 3.1 und 8 × USB 2.0. Es fügt auch zwei MIPI-CSI Interfaces für Low-Cost Kamera-Konnektivität hinzu, nützlich für Situational Awareness und kollaborative Robotik.

Andere Interfaces spiegeln COM Express: zwei SATA Ports, 2 × UART, 12 × GPIO, 2 × I²C, 2 × SPI und eSPI. COM Express beinhaltet optionalen CAN Bus am Connector, ein Feature das in COM-HPC fehlt.

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Abbildung 4: COM-HPC Client und COM Express Type 6 Interfaces unterscheiden sich hauptsächlich in PCIe Lanes, Ethernet Ports, USB Ports und noch zu spezifizierendem Remote-Management Support (Quelle: congatec).

OEMs die COM Express nutzen, können sicher sein dass der Standard noch viele Jahre viable bleibt. PCIe Generationen sind rückwärtskompatibel, und Designs basierend auf Gen 3.0 bleiben lange nach Gen 4.0 Ankunft serviceable. Wenn Ihre aktuellen Interface-Spezifikationen Ihre Bedürfnisse erfüllen, besteht keine Dringlichkeit zu migrieren.

Wenn Ihre Applikationen mehr als 32 PCIe Lanes, vollbandbreites PCIe 4.0, multiple 25 Gb/s Ethernet Ports oder fortschrittliche Remote-Management-Features fordern, ist COM-HPC die logische Wahl. Andernfalls gilt weiterhin die Weisheit „never change a running system“.