COM-HPC: Hva utviklere og brukere trenger å vite

Av Christian Eder, Director Marketing at congatec og styreleder i PICMG COM-HPC underkomité

Noen ser PICMG-standarden som en helt ny plattform som adresserer helt nye applikasjoner. De som arbeider med innvevde servere, og som må håndtere enorme arbeidsmengder i tøffe miljøer, mener det. Den andre leiren er de eksisterende COM Express-brukerne. De er mindre interessert i servermodulene, og bryr seg i stedet mer om klientmodulene i den nye COM-HPC-standarden. De er litt mer skeptiske til COM-HPC. De ønsker å beskytte eksisterende COM Express-investeringer og spør seg: Hvor lenge vil COM Express være tilgjengelig, og må jeg bytte til COM-HPC nå? Hva er fordelene for kundene mine? For dem er det viktigst å vite hvilke fordeler COM-HPC-klientmodulene tilbyr og hvordan de skiller seg fra COM Express. COM-HPC adresserer derfor to separate målgrupper, hver med forskjellige behov. Så hvilket potensiale har de to nye underspesifikasjonene og hvordan skiller de seg?

Åpen standard plattform for innvevde servere
COM-HPC Server er den første virkelig åpne standarden for å utvikle modulbasert innebygd rack-server og boksserver-design for tøffe omgivelser. I dagens klassiske serververden er applikasjonsklare prosessormoduler fortsatt sjelden utnyttet, selv om denne tilnærmingen gir mange fordeler. For eksempel gjør det det veldig enkelt å realisere spesifikke størrelser og I/O-krav: Utviklere trenger bare å designe det aktuelle applikasjonsspesifikke bærerkortet; de komplekse kjernekomponentene som prosessor, RAM og høyhastighetsgrensesnitt kan kjøpes i en standardisert modul. Fordi design av bærerkort krever mindre innsats enn fullt tilpasset design, kan denne tilnærmingen også brukes på mindre produktserier, der standardprodukter tidligere ofte var et lite tilfredsstillende, men uunngåelig kompromiss. Det modulære konseptet reduserer dessuten kostnadene for ytelsesoppgraderinger betydelig. Sammenlignet med full erstatning av et 1U- eller 3U-racksystem, kan et modulært serverdesign kutte oppgraderingskostnadene med rundt 50% fordi kun modulen erstattes. Denne tilnærmingen gir en bedre investering, så vel som langsiktig tilgjengelighet og avkastning på løsningene, ettersom de kan brukes lenger.

Flere datamaskiner i en standard
Ved siden av de generelle fordelene ved et modulkonsept, tilbyr COM-HPC Server også noen tekniske forbedringer som tidligere ikke var tilgjengelige i moduler i denne formen. For eksempel er ikke COM-HPC-standarden begrenset til x86-prosessorer, men gir eksplisitt bruk av RISC-prosessorer, FPGAer og GPGUer. De første prøvene med slike alternative dataenheter ble vist ved PICMG-messen under Embedded World. Så for første gang har det blitt mulig å utvikle og implementere heterogene serverkonstruksjoner med et bredt spekter av data- og akseleratorenheter i en offisiell spesifikasjon og standardisert økosystem. For å legge til rette for dette støtter den nye spesifikasjonen også slavemodus for modulene for første gang. OEM’er drar nytte av ikke bare forenklet og mer effektiv design, men kan også bruke kunnskapen mer effektivt.

Mer plass for mer ytelse
COM-HPC Server-moduler tar sikte på å gi kant- og «tåke»-serverapplikasjoner høy datakraft som kreves av de nye innebygde kantserverprosessorene som forventes å bli lansert ganske snart. Det maksimale spesifiserte effektbudsjettet på 300 watt for COM-HPC Server-moduler gir en indikasjon på ytelsen som kan forventes, i det minste på mellomlang sikt. Til sammenligning: Den kraftigste COM Express Type 7 Server-on-Module tillater i dag maksimalt 100 watt. Skalér opp dette, ta det forventede ytelsesspranget i betraktning, og det er lett å se at COM-HPC vil kunne dekke enorme serverbelastninger i fremtiden.

Ved siden av dette høye ytelsespotensialet er det viktig hvor mye plass modulene gir for prosessorene eller alternative datamaskiner. Dette blir tydelig når du ser på de nåværende høyytelses-CPUene fra Intel og AMD med 16 eller flere kjerner eller de kraftige FPGA-ene, som kan være i håndflatestørrelse. For dem tilbyr COM-HPC Server modulavtrykk på 200 mm x 160 mm (størrelse E) eller 160 mm x 160 mm (størrelse D). Disse relativt store fotavtrykkene forenkler også varmespredning, og gir plass til en større varmeavleder som kan distribuere overflødig varme mer effektivt.

Mer minneytelse
Med disse store fotavtrykkene gir COM-HPC Server-modulene også mer minneytelse. De har nok plass til komplette DIMM-minnemoduler som takler den høye minnebåndbredden og størrelseskravene til mikro-, kant- og tåkeservere. I størrelse E kan de huse opptil 8 DIMM-kontakter og for øyeblikket opptil 1,0 terabyte minne. I størrelse D kan de huse maksimalt 4 DIMM-sokler for opptil 512 gigabyte minne.

Mer I/O-ytelse
For tilkobling til bærerkort definerer COM-HPC Server 8x 25 GbE, samt 65 PCIe-baner for PCI Express Gen 4.0 og Gen 5.0. En av disse banene er forbeholdt kommunikasjon med en valgfri styringskontroller (BMC) på bærerkortet, mens de resterende 64 PCIe-banene kan brukes til å koble til periferiutstyr. COM-HPC Server tilbyr derfor ekstremt bred og kraftig tilkobling, for eksempel for å koble til flere databeartsakseleratorer som GPGPUer, FPGAS og ASICS - for eksempel i form av matchende COM-HPC moduler – eller NVMe-baserte lagringsmedier. Totalt drar COM-HPC Server-design fordel av en I/O-ytelse på opptil 256 Gigabyte/s via PCIe. Ytterligere 2x 40 Gigabit/s kan legges til via de to USB 4.0-grensesnittene på Thunderbolt 3.0-versjoner, samt 2x 20 Gigabit/s via de to spesifiserte USB 3.2-grensesnittene. Fire ekstra USB 2.0-grensesnitt avrunder USB-tilbudet på COM-HPC-servermoduler. Foruten 2x native SATA, støtter de også eSPI, 2xSPI, SMB, 2x I2C, 2xUART og 12 GPIOer for å integrere enkle periferiutstyr og standard kommunikasjonsgrensesnitt, for eksempel for serviceformål. En ytterligere 10 Gb Ethernet-port gir en dedikert kommunikasjonskanal som kan brukes til fjernstyring og «out-of-band»-styring.

Optimalisert styring av serverklasser
Noe annet som først ble introdusert av COM-HPC, er et dedikert systemadministrasjonsgrensesnitt. Dette grensesnittet er for tiden under utvikling i PICMGs underkomité for fjernadministrasjon. Målet er å gjøre deler av funksjonssettet som er spesifisert i det intelligente plattformadministrasjonsgrensesnittet (IPMI) tilgjengelig for fjernstyring av servermodulstyring.

I likhet med slavefunksjonen vil COM-HPC derfor også tilby utvidede kommunikasjonsfunksjoner for fjernstyring. Takket være denne funksjonen vil OEMer og brukere være i stand til å sikre pålitelighet, tilgjengelighet, vedlikeholdbarhet og sikkerhet (RAMS). For individuelle behov kan denne funksjonen utvides via den valgfrie styringskontrolleren på transportkortet. Dette gir OEMer et enhetlig grunnlag for fjernstyring som kan tilpasses spesifikke krav.

COM-HPC Client - større, raskere, mer
Mens spesifikasjonen av COM-HPC Server konsentrerer seg om helt nye innebygde kantserverdesign, er det selvfølgelig også de «klassiske» innebygde systemene med høy ytelse, som har utnyttet COM Express Type 6 frem til nå. OEMer lurer på om COM-HPC vil gjøre deres eksisterende COM Express-design foreldet; når vil det være det beste tidspunktet å bytte til COM-HPC, og hvilke fordeler COM-HPC har for dem og deres kunder. For å svare på disse spørsmålene er det viktig å vite i detalj hvilke funksjoner COM-HPC Client-moduler tilbyr og å sammenligne dem med COM Express-funksjonene.

Tre størrelser
På mange måter har de to standardene flere likheter enn forskjeller. I likhet med COM Express, spesifiserer COM-HPC Client tre modulstørrelser: 120 mm x 160 mm (størrelse C), 120 mm x 120 mm (størrelse B) og 120 mm x 95 mm (størrelse A). Dette betyr at det minste COM-HPC Client footprint er praktisk talt identisk med COM Express Basic, som måler 125 mm x 95 mm. Dette alene viser at COM-HPC Client sitter over COM Express, og adresserer applikasjoner som ikke kan nås med COM Express.

Mer kraft
Dette gjenspeiles også i det støttede kraftbudsjettet på 200 watt, som er omtrent tre ganger så mye som dagens kraftigste COM Express Type 6-moduler. Når det gjelder minne, der COM-HPC Client og COM Express begge bruker SODIMMS eller loddet minne, kan COM-HPC romme mer minne med opptil 4 SODIMM-kontakter. Imidlertid, med COM Express som allerede er i stand til å støtte 96 GBytes i dag, oppfyller den også høye minnekrav.

Flere og raskere grensesnitt
Fra et layoutperspektiv er kontakten den viktigste forskjellen mellom COM Express og COM-HPC-module, og antall signalpinner som kobler modulen til det applikasjonsspesifikke bærerkortet. COM-HPC utnytter en ny kontakt som er designet for de siste høyhastighetsgrensesnittene og er allerede spesifisert for høye klokkefrekvenser for PCIe 5.0 og 25 Gb/s. COM Express støtter PCIe Gen 3.0 og PCIe 4.0 i kompatibilitetsmodus. Men selvfølgelig må innebygde prosessorer med PCIe Gen 4.0 først bli tilgjengelige. Som COM Express støtter COM-HPC to kontakter, men med 400 pinner hver. Så med 800 signalpinner totalt har COM-HPC nesten dobbelt så mange pinner som COM Express Type 6-moduler med 440 pinner. Unødvendig å si gir dette også plass til mange flere grensesnitt.

COM-HPC Client-moduler bruker disse for 49 PCIe-baner til transportkortet, hvorav den ene er ment for kommunikasjon med bærerkortets BMC. Det er dobbelt så mange baner som COM Express Type 6 leverer med maksimalt 24 baner. To 25 GbE KR Ethernet og opptil to 10 Gb BaseT-grensesnitt er også tilgjengelig direkte på modulen. COM Express Type 6 støtter 1x 1 GbE, med muligheten til å implementere ytterligere nettverksgrensesnitt via transportkortet.

4x grafikk
Grafikkstøtten er identisk i begge standarder; samtidig er det det som skiller disse modulene fra de «hodeløse» COM Express Server-on-Modules og COM-HPC Server-modulene. Begge standardene støtter opptil fire skjermer via tre digitale skjermgrensesnitt (DDI) og 1x innebygd DisplayPort (eDP). Når det gjelder multimedia-grensesnitt, bruker COM-HPC SoundWire i stedet for HDA-grensesnittet som er spesifisert for COM Express. SoundWire er en ny MIPI-standard som bare krever to baner: klokke og data, med en klokkefrekvens på opptil 12,288 MHz. Opptil 4 lydkodeker kan kobles parallelt over disse to banene, hvor hver kodek får sin egen ID for analyse.

Mer USB-båndbredde pluss MIPI-CSI
COM-HPC er spesifisert for fremtiden, også når det gjelder de støttede USB-standardene, og spesifiserer fire USB 4.0-grensesnitt, supplert med 4x USB 2.0. Selv om dette betyr at COM-HPC Client-moduler tilbyr fire USB-porter mindre enn COM Express Type 6-moduler, som kjører opp til 4x USB 3.1 og 8x USB 2.0, kompenseres dette med mer båndbredde, siden USB 4.0 er designet for overføringshastigheter på opp til 40 Gbit/s. En annen attraktiv egenskap ved COM-HPC-klientmoduler er at de gir to MIPI-CSI-grensesnitt, noe som muliggjør kostnadseffektive kameratilkoblinger for situasjonsoverblikk og samarbeidende roboter.

COM-HPC Client tilbyr videre 2x SATA-grensesnitt for tilkobling av tradisjonelle SSD-er og HDD-er, som er nesten gamle enheter i dag, pluss industrielle grensesnitt som 2x UART og 12x GPIO. 2x I2C, SPI og eSPI fullfører funksjonssettet. Alle disse funksjonene kan sammenlignes med COM Express Type 6-moduler, som bare skiller seg ut med valgfri CAN-buss-støtte.

Basert på disse forskjellene kan OEMer med COM Express-baserte design være sikre på at de vil være godt tjent med COM Express i mange år fremover. Dette er også fordi COM-HPC ikke introduserer en ny systembuss – i motsetning til svitsjene fra ISA til PCI og fra PCI til PCI Express. Det er også verdt å huske at COM Express-modulene ikke erstattet ETX som de bestselgende modulene før i 2012 – vel 11 år etter introduksjonen av ETX. Og ETX-moduler selges fortsatt i dag. Siden PCIe-generasjoner er bakoverkompatible med forgjengerne, vil design med PCIe Gen 3.0 forbli i tjeneste i lang tid, selv etter at PCIe Gen 4.0 er introdusert på tvers av alle prosessornivåer. Så lenge den gitte grensesnittspesifikasjonen er tilstrekkelig, er det absolutt ingen grunn til å endre.

Hvis du trenger mer enn 32 PCIe-baner, eller du trenger PCIe 4.0 i full båndbredde, USB 4.0 multippel 25 Gbit/s Ethernet og/eller avanserte fjernstyringsfunksjoner, er det verdt å bytte. Ellers, hold deg til mottoet «aldri bytt ut noe som virker».