COM-HPC: стандарт нового поколения для модульных встроенных систем

Встроенные вычисления готовы принять COM-HPC, стандарт нового поколения с открытой архитектурой для модульных системных дизайнов. Поскольку его архитектура сложна и часто неверно понимается, четкое руководство необходимо.

Заинтересованные стороны смотрят на COM-HPC через две призмы. Сообщество встроенных пограничных серверов видит в нем платформу для высокопроизводительных, устойчивых рабочих нагрузок, в то время как существующие пользователи COM Express фокусируются на клиентских модулях и их эволюции. Они спрашивают, стоит ли переходить сейчас и какие осязаемые выгоды дает новый стандарт.

Платформа с открытым стандартом для встроенных серверов

Краткая история высокопроизводительных
стандартов Computer-on-Module

Год Детали

2001 Основание ETX-IG и запуск первого производителе-независимого модульного стандарта

2005 PICMG публикует спецификацию COM Express 1.0

2010 Спецификация COM Express 2.0

2012 Продажи модулей COM Express превышают продажи ETX

2012 Спецификация COM Express 2.1

2018 Основание комитета PICMG COM-HPC

2019 Релиз распиновки COM-HPC

2020 Запуск спецификации COM-HPC

Поскольку стандарты Computer-on-Module (CoM) открыты и независимы от производителя, продукты, построенные на них, наслаждаются жизненными циклами в несколько десятилетий. OEM до сих пор могут заказывать устаревшие модули ETX сегодня, а PCIe-базированные стандарты обещают еще более долгую актуальность через обратную совместимость.

COM-HPC Server — первый по-настоящему открытый стандарт для модульных встроенных стоечных и коробочных серверных дизайнов в суровых средах. В современном классическом серверном ландшафте готовые к применению процессорные модули все еще редко используются, но они разблокируют значительные преимущества.

Поставляя процессоры, память и высокоскоростные интерфейсы в одном стандартизированном модуле, проектировщики могут фокусироваться на адаптации несущей платы к точным требованиям по размеру и вводу-выводу. Этот подход упрощает время проектирования, обеспечивает быстрый выход на рынок и снижает производственные затраты — особенно для мелкосерийных продуктов, где полный кастомный дизайн был бы запредельно дорогим.

Поскольку при обновлении меняется только модуль, затраты можно сократить примерно на 50% по сравнению с полной заменой стоечной системы 1U или 3U. Результат — более устойчивые инвестиции и расширенная окупаемость на протяжении жизненного цикла продукта.

Помимо общих выгод, COM-HPC Server вводит технические уточнения, ранее недоступные в этом форм-факторе. Спецификация не ограничена x86 CPU; она явно поддерживает RISC-процессоры, FPGA и GPGPU. Первые образцы с этими альтернативными вычислительными единицами были показаны на Embedded World 2023.

Впервые OEM могут проектировать гетерогенные серверные архитектуры, комбинирующие несколько типов вычислений и ускорителей в единой, официально специфицированной экосистеме. Спецификация также определяет ведомый режим для модулей, давая проектировщикам еще больше гибкости для интеграции устаревших компонентов.

Модули COM-HPC Server нацелены на пограничные и туманные серверы, требующие высокопроизводительной вычислительной мощности грядущих процессоров. С максимальным энергобюджетом 300 Вт стандарт обещает уровни производительности далеко за пределами сегодняшних модулей COM Express Type 7 с лимитом 100 Вт. В сочетании с ожидаемыми скачками производительности от процессоров следующего поколения COM-HPC готов справляться с огромными серверными нагрузками.

Крупные форм-факторы упрощают охлаждение и позволяют использовать мощные CPU или FPGA. COM-HPC Server предлагает два форм-фактора: Size E (200 мм × 160 мм) с до восьмью гнездами DIMM для 1 ТБ ОЗУ, и Size D (160 мм × 160 мм) с четырьмя гнездами DIMM для 512 ГБ. На рисунке ниже изображены два размера.

кликните для увеличения

Рисунок 1: COM-HPC Server специфицирует два форм-фактора — Size E с до восьми гнезд DIMM для 1 ТБ памяти и Size D с четырьмя гнездами для 512 ГБ. Раскладка разъемов отличается для предотвращения случайной ошибки монтажа (Источник: congatec).

Увеличенные форм-факторы позволяют полноразмерные DIMM-модули, доставляющие полосу пропускания и емкость, необходимую для микро-, пограничных и туманных серверов. Size E поддерживает до 8 DIMM (≈ 1 ТБ), в то время как Size D поддерживает до 4 DIMM (≈ 512 ГБ).

COM-HPC Server определяет 8 × 25 Гбит/с Ethernet портов и 65 линий PCIe (Gen 4.0/5.0). Одна линия зарезервирована для опционального контроллера управления платой; оставшиеся 64 линии питают периферийные устройства, обеспечивая пропускную способность ввода-вывода до 256 ГБ/с.

С своей обширной матрицей ввода-вывода COM-HPC Server может размещать ускорители — GPGPU, FPGA, ASIC — а также NVMe-хранилище. Два порта USB 4.0 (40 Гбит/с) на интерфейсе Thunderbolt 3.0 и два порта USB 3.2 (20 Гбит/с) дополняют линии PCIe, в то время как дополнительные USB 2.0, SATA, eSPI, SPI, SMB, I²C, UART и GPIO интерфейсы завершают набор функций. Выделенный порт 10 Гбит/с Ethernet поддерживает удаленное управление.

COM-HPC вводит выделенный системно-управляющий интерфейс, разрабатываемый подкомитетом PICMG Remote Management. Он приносит IPMI-подобные функции для удаленного управления пограничным серверным модулем, включая надежность, доступность, обслуживаемость и безопасность (RAMS). OEM могут расширить функциональность через опциональный контроллер управления платой на несущей плате.

COM-HPC Client — больше, быстрее, больше

В то время как COM-HPC Server нацелен на новые встроенные пограничные серверные дизайны, «классические» высокопроизводительные встроенные системы — исторически основанные на COM Express Type 6 — все еще доминируют на многих рынках. OEM естественно спрашивают, сделает ли COM-HPC их существующие дизайны устаревшими, когда переключаться и какие выгоды они могут ожидать для клиентов.

Три размера

Оба стандарта определяют три размера модулей. COM-HPC Client использует 120 мм × 160 мм (Size C), 120 мм × 120 мм (Size B) и 120 мм × 95 мм (Size A). Наименьший форм-фактор практически идентичен COM Express Basic (125 мм × 95 мм), демонстрируя, что COM-HPC находится выше COM Express и нацелен на приложения за пределами его досягаемости.

кликните для увеличения

Рисунок 3: COM Express и COM-HPC Client делят три форм-фактора; наименьший COM-HPC Size A практически идентичен COM Express Basic, иллюстрируя более высокое позиционирование COM-HPC (Источник: congatec).

Больше мощности

Спецификация позволяет энергобюджет 200 Вт — примерно в три раза предел сегодняшних самых мощных модулей COM Express Type 6. Оба стандарта поддерживают SODIMM или распаянную память; COM-HPC Client может разместить до четырех гнезд SODIMM, позволяя большие объемы памяти, в то время как COM Express уже поддерживает до 96 ГБ.

Больше и быстрее интерфейсы

Ключевое различие между двумя стандартами лежит в разъеме и количестве контактов. COM-HPC Client вводит 400-контактный разъем (два разъема для общего количества 800 контактов), почти в два раза больше 440 контактов COM Express Type 6. Этот дополнительный счет контактов вмещает больше линий PCIe, более высокоскоростной Ethernet и дополнительные USB-порты.

COM-HPC Client предлагает 49 линий PCIe на несущую плату — в два раза больше 24 линий, доступных в COM Express Type 6 — в то время как одна линия остается выделенной для контроллера управления платой. Два порта 25 Гбит/с KR Ethernet и до двух портов 10 Гбит Base-T интегрированы непосредственно на модуле. В противовес, COM Express Type 6 предоставляет единственный порт 1 Гбит/с Ethernet с опциональными дополнительными интерфейсами на несущей плате.

Графика и аудио

Оба стандарта поддерживают до четырех дисплеев через три порта DDI и один встроенный DisplayPort. COM-HPC заменяет аудио-интерфейс HDA на SoundWire, стандарт на базе MIPI, который требует только двух линий (такт и данные) и поддерживает до четырех аудио-кодеков.

Полоса пропускания USB и MIPI-CSI

COM-HPC Client обеспечивает четыре порта USB 4.0 (40 Гбит/с) и четыре порта USB 2.0, предлагая более высокую агрегатную полосу пропускания, чем 4 × USB 3.1 и 8 × USB 2.0 COM Express Type 6. Он также добавляет два интерфейса MIPI-CSI для недорогой камерной связи, полезной для ситуационной осведомленности и коллаборативной робототехники.

Другие интерфейсы зеркалят COM Express: два порта SATA, 2 × UART, 12 × GPIO, 2 × I²C, 2 × SPI и eSPI. COM Express включает опциональную шину CAN на разъеме, функцию, отсутствующую в COM-HPC.

кликните для увеличения

Рисунок 4: Интерфейсы COM-HPC Client и COM Express Type 6 отличаются главным образом количеством линий PCIe, Ethernet-портов, USB-портов и еще не специфицированной поддержкой удаленного управления (Источник: congatec).

OEM, использующие COM Express, могут быть спокойны: стандарт останется жизнеспособным на многие годы. Поколения PCIe обратно совместимы, и дизайны, основанные на Gen 3.0, останутся обслуживаемыми долго после прибытия Gen 4.0. Если ваши текущие спецификации интерфейсов удовлетворяют ваши потребности, нет срочности мигрировать.

Если ваши приложения требуют более 32 линий PCIe, полную полосу пропускания PCIe 4.0, множественные 25 Гбит/с Ethernet-порты или продвинутые функции удаленного управления, COM-HPC — логический выбор. В противном случае поговорка «никогда не меняй работающую систему» все еще верна.