Понимание стандарта COM-HPC для проектирования модульных систем

Индустрия встраиваемых вычислений собирается запустить COM-HPC в качестве стандарта следующего поколения для модульных систем. Поскольку COM-HPC сложен и иногда неправильно понимается, необходима четкая информация.

Некоторые рассматривают стандарт COM-HPC группы производителей промышленных компьютеров PCI (PICMG) как совершенно новую платформу, предназначенную для совершенно новых приложений. Так считает лагерь встроенных пограничных серверов, который должен справляться с огромными рабочими нагрузками в суровых условиях. Второй лагерь - это существующие пользователи COM Express. Их меньше интересуют серверные модули, и вместо этого они больше заботятся о клиентских модулях нового стандарта COM-HPC. Они немного более скептически относятся к COM-HPC. Они хотят защитить существующие вложения в COM Express, задавая себе вопрос:как долго будет доступен COM Express и нужно ли мне сейчас перейти на COM-HPC? Какие преимущества для моих клиентов? Для них наиболее важно знать, какие преимущества предлагают клиентские модули COM-HPC и чем они отличаются от COM Express. Таким образом, COM-HPC обращается к двум отдельным целевым группам, у каждой из которых разные потребности. Итак, какой потенциал имеют две новые дополнительные спецификации и чем они отличаются?

Открытая стандартная платформа для встроенных серверов

Краткая история высокопроизводительных
стандартов "Компьютер на модуле"

Год Подробности 2001 Основание ETX-IG и запуск первого стандарта модулей, не зависящих от производителя 2005 PICMG публикует спецификацию COM Express 1.0 2010 Спецификация COM Express 2.0 2012 Продажи модулей COM Express превышают таковые из спецификации ETX2012COM Express 2.1 2018 Основание комитета PICMG COM-HPC 2019 Выпуск распиновки COM-HPC 2020 Запуск Спецификация COM-HPC

Открытые и независимые от производителя стандарты «Компьютер на модуле» гарантируют, что жизненный цикл приложений составляет несколько десятилетий. OEM-производители по-прежнему могут приобретать новые модули ETX сегодня, несмотря на то, что этот форм-фактор основан исключительно на устаревших шинах. Благодаря обратной совместимости стандарты на основе PCIe будут еще дольше существовать.

COM-HPC Server - это первый по-настоящему открытый стандарт для разработки модульных встраиваемых стоечных и коробчатых серверов для суровых условий. В современном мире классических серверов готовые к применению процессорные модули по-прежнему используются редко, хотя такой подход дает много преимуществ. Например, это позволяет очень легко реализовать определенные требования к размеру и вводу-выводу:разработчикам нужно только спроектировать соответствующую несущую плату для конкретного приложения; сложные основные компоненты, такие как процессор, оперативная память и высокоскоростные интерфейсы, можно приобрести в стандартизированном модуле.

Поскольку проектирование несущей платы требует меньше усилий, чем проектирование полностью нестандартной конструкции, этот подход также может быть эффективно применен к меньшим сериям продуктов, где стандартные продукты ранее часто были неудовлетворительным, но неизбежным компромиссом. Более того, модульная концепция также значительно снижает стоимость обновления производительности. По сравнению с полной заменой стоечной системы 1U или 3U, модульная конструкция сервера может снизить стоимость обновления примерно на 50%, поскольку заменяется только модуль. Таким образом, такой подход повышает устойчивость инвестиций, а также увеличивает доступность и рентабельность инвестиций в долгосрочной перспективе, поскольку их можно использовать дольше.

Больше вычислительных единиц в одном стандарте

Помимо общих преимуществ модульной концепции, COM-HPC Server также предлагает некоторые технические усовершенствования, которые ранее не были доступны в модулях в этой форме. Например, стандарт COM-HPC не ограничивается процессорами x86, но явно предусматривает использование процессоров RISC, FPGA и универсальных графических процессоров (GPGPU). Первые образцы с такими альтернативными вычислительными модулями были показаны на стенде PICMG во время Embedded World.

Таким образом, впервые появилась возможность разрабатывать и реализовывать гетерогенные серверные конструкции с широким спектром вычислительных и ускорительных модулей в рамках единой официальной спецификации и стандартизированной экосистемы. Чтобы облегчить это, новая спецификация также впервые поддерживает подчиненные режимы для модулей. OEM-производители извлекают выгоду не только из упрощенного и более эффективного проектирования, но также могут более эффективно повторно использовать свои ноу-хау.

Больше места для большей производительности

Модули COM-HPC Server предназначены для обеспечения приложений граничных и туманных серверов высокопроизводительной вычислительной мощностью, необходимой для новых встроенных процессоров граничных серверов, которые производители полупроводников, как ожидается, выпустят очень скоро. Максимальный указанный бюджет мощности в 300 Вт для серверных модулей COM-HPC указывает на ожидаемую производительность, по крайней мере, в среднесрочной перспективе. Для сравнения:самый мощный на сегодняшний день сервер-на-модуле COM Express Type 7 обеспечивает максимальную мощность 100 Вт. Масштабируйте это с учетом прогнозируемого скачка производительности, и легко увидеть, что COM-HPC сможет покрыть огромные нагрузки на серверы в будущем.

Наряду с этим потенциалом высокой производительности важно, сколько места модули предоставляют для процессоров или альтернативных вычислительных блоков. Это становится ясно, если посмотреть на современные высокопроизводительные процессоры Intel и AMD с 16 или более ядрами или мощные FPGA, которые могут быть размером с ладонь. Для них COM-HPC Server предлагает модули размером 200 мм x 160 мм (размер E) или 160 мм x 160 мм (размер D), как показано на Рисунке 1. Эти сравнительно большие размеры также упрощают отвод тепла, обеспечивая пространство для более крупных радиаторы, которые могут более эффективно распределять отходящее тепло.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 1:Сервер COM-HPC определяет два разных места для установки:размер E с пространством для 8 сокетов DIMM для текущего 1 терабайта ОЗУ и размер D на 20% меньше для 4 разъемов DIMM. Хотя сервер и клиент COM-HPC используют одни и те же разъемы с 2x 400 контактами, они расположены на разном расстоянии друг от друга. Это предотвращает повреждение из-за случайной установки модуля неправильного типа (Источник:congatec).

Повышение производительности памяти

Благодаря этим большим размерам модули COM-HPC Server также обеспечивают большую производительность памяти. В них достаточно места для полных модулей памяти DIMM, которые соответствуют требованиям к высокой пропускной способности памяти и размеру микро-, периферийных и туманных серверов. В корпусе размера E они могут содержать до 8 разъемов DIMM для в настоящее время до 1,0 терабайта памяти. В корпусе размера D они могут разместить максимум 4 разъема DIMM для в настоящее время до 512 гигабайт памяти.

Повышение производительности ввода-вывода

Для подключения несущей платы сервер COM-HPC определяет 8 линий 25 GbE, а также 65 линий PCIe для PCI Express Gen 4.0 и Gen 5.0 (рисунок 2). Одна из этих полос зарезервирована для связи с дополнительным контроллером управления платой (BMC) на несущей плате, а остальные 64 полосы PCIe могут использоваться для подключения периферийных устройств.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 2. Ключевые особенности модулей COM-HPC Server:необычайно большое количество высокоскоростных интерфейсов, выдающаяся пропускная способность сети и производительность безголового сервера (Источник:congatec).

Таким образом, COM-HPC Server предлагает чрезвычайно широкие и мощные возможности подключения, например, для подключения дополнительных ускорителей вычислений, таких как GPGPU, FPGAS и ASICS - например, в форме соответствующих модулей COM-HPC - или носителей на основе NVMe. В целом, серверы COM-HPC выигрывают от производительности ввода-вывода до 256 Гигабайт / с через PCIe. Еще 2x 40 Гбит / с можно добавить через два интерфейса USB 4.0 в версиях Thunderbolt 3.0, а также 2x 20 Гбит / с через два указанных интерфейса USB 3.2. Четыре дополнительных интерфейса USB 2.0 завершают предложение USB на модулях COM-HPC Server. Помимо двух собственных SATA, они также поддерживают eSPI, 2xSPI, SMB, 2x I2C, 2xUART и 12 GPIO для интеграции простых периферийных устройств и стандартных интерфейсов связи, например, для сервисных целей. Дополнительный порт Ethernet 10 Гбит / с обеспечивает выделенный канал связи, который можно использовать для удаленного и внеполосного управления.

Оптимизированное управление досками серверного уровня

Еще одна отрасль, впервые представленная COM-HPC, - это специализированный интерфейс управления системой. Этот интерфейс в настоящее время разрабатывается в Подкомитете удаленного управления PICMG. Цель состоит в том, чтобы сделать части набора функций, указанных в интерфейсе интеллектуального управления платформой (IPMI), доступными для управления модулями удаленного пограничного сервера. Таким образом, аналогично функции ведомого устройства COM-HPC также предоставляет расширенные функции связи для удаленного управления. Благодаря этой функции OEM-производители и пользователи смогут обеспечить надежность, доступность, ремонтопригодность и безопасность (RAMS), что является общим набором требований для серверов. Для индивидуальных нужд эту функцию можно расширить с помощью дополнительного контроллера управления платой на несущей плате. Это обеспечивает OEM-производителям единообразную основу для удаленного управления, которую можно адаптировать к конкретным требованиям.

Клиент COM-HPC - больше, быстрее, больше

Хотя спецификация сервера COM-HPC сосредоточена на совершенно новых конструкциях встроенных пограничных серверов, конечно же, существуют и «классические» высокопроизводительные встроенные системы, в которых до сих пор использовался COM Express Type 6. Производители оригинального оборудования задаются вопросом, сделает ли COM-HPC устаревшими существующие проекты COM Express, когда лучше всего перейти на COM-HPC и какие преимущества дает COM-HPC для них и их клиентов. Чтобы ответить на эти вопросы, важно подробно знать, какие функции предлагают клиентские модули COM-HPC, и сравнивать их с функциями COM Express.

Три размера

Во многих отношениях эти два стандарта имеют больше сходства, чем различий. Как и COM Express, клиент COM-HPC определяет три размера модуля:120 мм x 160 мм (размер C), 120 мм x 120 мм (размер B) и 120 мм x 95 мм (размер A). Это означает, что наименьшая занимаемая площадь клиента COM-HPC практически идентична модели COM Express Basic, размер которой составляет 125 x 95 мм. Одно это показывает, что клиент COM-HPC находится над COM Express, обращаясь к приложениям, которые не могут быть достигнуты с помощью COM Express. (Рисунок 3).

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рисунок 3:COM Express и COM-HPC Client определяют три разных места. Однако, учитывая наименьший размер COM-HPC A, почти идентичный COM Express Basic, сразу видно, что COM-HPC расположен над COM Express (Источник:congatec).

Больше мощности

Это также отражается в поддерживаемом бюджете мощности в 200 Вт, что примерно в три раза больше, чем у самых мощных на сегодняшний день модулей COM Express Type 6. Что касается памяти, то в то время как COM-HPC Client и COM Express используют SODIMMS или запаянную память, COM-HPC может вместить больше памяти с помощью до 4 разъемов SODIMM. Однако, поскольку COM Express уже сегодня поддерживает 96 ГБ, он также отвечает высоким требованиям к памяти.

Больше и быстрее интерфейсов

С точки зрения компоновки, наиболее важное различие между модулями COM Express и COM-HPC касается разъема и количества сигнальных контактов, соединяющих модуль с платой-носителем для конкретного приложения, как показано на Рисунке 4.

щелкните, чтобы увеличить изображение

Рис. 4. Интерфейсы COM-HPC Client и COM Express Type 6 в основном различаются количеством линий PCIe и пропускной способностью, интерфейсами Ethernet и USB-портами, а также расширенной поддержкой удаленного управления, которую еще предстоит определить ( Источник:congatec).

COM-HPC использует новый разъем, который разработан для новейших высокоскоростных интерфейсов и уже рассчитан на высокие тактовые частоты PCIe 5.0 и 25 Гбит / с. COM Express поддерживает PCIe Gen 3.0 и PCIe 4.0 в режиме совместимости. Но, конечно, сначала должны стать доступны встроенные процессоры с PCIe Gen 4.0. Как и COM Express, COM-HPC поддерживает два разъема, но по 400 контактов каждый. Таким образом, с 800 сигнальными контактами COM-HPC имеет почти вдвое больше контактов, чем модули COM Express Type 6 с 440 контактами. Излишне говорить, что это также дает место для гораздо большего числа интерфейсов.

Модули клиента COM-HPC используют их для 49 линий PCIe к несущей плате, одна из которых снова предназначена для связи с BMC несущей платы. Это в два раза больше полос, чем у COM Express Type 6 (максимум 24 полосы). Два интерфейса 25 GbE KR Ethernet и до двух 10 Gb BaseT также предусмотрены непосредственно на модуле. COM Express Type 6 поддерживает 1x 1 GbE с возможностью реализации дополнительных сетевых интерфейсов через несущую плату.

4-кратная графика

Поддержка графики идентична в обоих стандартах; в то же время, это то, что отличает эти модули от безголовых модулей COM Express Server-on-Modules и COM-HPC Server. Оба стандарта поддерживают до четырех дисплеев через три интерфейса цифрового дисплея (DDI) и 1x встроенный DisplayPort (eDP). Что касается мультимедийных интерфейсов, COM-HPC использует SoundWire вместо интерфейса HDA, указанного для COM Express. SoundWire - это новый стандарт MIPI, для которого требуется только две полосы:тактовая частота и данные, с тактовой частотой до 12,288 МГц. По этим двум линиям можно параллельно подключить до 4 аудиокодеков, при этом каждый кодек получает свой собственный идентификатор для анализа.

Больше пропускной способности USB плюс MIPI-CSI

Ориентированный на будущее также с точки зрения поддерживаемых стандартов USB, COM-HPC определяет четыре интерфейса USB 4.0, дополненных четырьмя USB 2.0. Хотя это означает, что клиентские модули COM-HPC предлагают на четыре порта USB меньше, чем модули COM Express Type 6, которые выполняют до 4 портов USB 3.1 и 8 портов USB 2.0, это компенсируется большей пропускной способностью, поскольку USB 4.0 рассчитан на более высокую скорость передачи данных. до 40 Гбит / с. Еще одна привлекательная особенность клиентских модулей COM-HPC заключается в том, что они предоставляют два интерфейса MIPI-CSI, что позволяет экономично подключать камеры для ситуационной осведомленности и совместной робототехники.

Клиент COM-HPC также предлагает 2 интерфейса SATA для подключения традиционных твердотельных накопителей и жестких дисков, которые сегодня являются почти устаревшими устройствами, а также промышленные интерфейсы, такие как 2x UART и 12x GPIO. 2x I2C, SPI и eSPI завершают набор функций. Все эти функции сравнимы с модулями COM Express Type 6, которые, в отличие от COM-HPC, предлагают дополнительную шину CAN через разъем в качестве уникальной функции.

Судя по различиям, OEM-производители, использующие дизайн на основе COM Express, могут быть уверены, что они будут хорошо обслуживаться с помощью COM Express в течение многих лет. Это также связано с тем, что COM-HPC не вводит новую системную шину - в отличие от переключателей с ISA на PCI и с PCI на PCI Express. Также стоит помнить, что модули COM Express не заменяли ETX в качестве бестселлеров до 2012 года - хороших 11 лет после появления ETX. И модули ETX все еще продаются сегодня. Поскольку поколения PCIe обратно совместимы со своими предшественниками, конструкции с PCIe Gen 3.0 будут оставаться в эксплуатации в течение долгого времени, даже после того, как PCIe Gen 4.0 будет представлен на всех уровнях процессоров. Таким образом, пока данная спецификация интерфейса соответствует требованиям, нет никакой необходимости в изменении.

Однако, если вам нужно более 32 линий PCIe, или вам требуется PCIe 4.0 с полной пропускной способностью, USB 4.0, несколько портов Ethernet 25 Гбит / с и / или расширенные функции удаленного управления, стоит переключиться. В противном случае придерживайтесь девиза «никогда не меняйте работающую систему».