COM‑HPC: El Estándar Abierto de Nueva Generación para Sistemas Embebidos Modulares

La computación embebida está preparada para adoptar COM‑HPC, el estándar abierto de nueva generación para diseños de sistemas modulares. Debido a que su arquitectura es intrincada y a menudo mal entendida, una guía clara es esencial.

Los interesados ven COM‑HPC a través de dos lentes. La comunidad de servidores edge embebidos lo ve como una plataforma para cargas de trabajo robustas de alto rendimiento, mientras que los usuarios existentes de COM Express se centran en módulos cliente y su evolución. Cuestionan si deben transicionar ahora y qué beneficios tangibles ofrece el nuevo estándar.

Plataforma de estándar abierto para servidores embebidos

Breve historia de estándares
Computer‑on‑Module de alto rendimiento

Año Detalles

2001 Fundación de ETX‑IG y lanzamiento del primer estándar de módulo independiente de fabricante

2005 PICMG publica especificación COM Express 1.0

2010 Especificación COM Express 2.0

2012 Ventas de módulos COM Express superan a ETX

2012 Especificación COM Express 2.1

2018 Fundación del Comité PICMG COM‑HPC

2019 Lanzamiento del pinout COM‑HPC

2020 Lanzamiento de la especificación COM‑HPC

Debido a que los estándares Computer‑on‑Module (CoM) son abiertos e independientes del proveedor, los productos basados en ellos disfrutan de ciclos de vida multi-década. Los OEMs aún pueden pedir módulos ETX heredados hoy, y los estándares basados en PCIe prometen relevancia aún más larga a través de compatibilidad hacia atrás.

COM‑HPC Server es el primer estándar verdaderamente abierto para diseños modulares de servidores rack y box embebidos en entornos hostiles. En el panorama clásico de servidores actual, los módulos de procesador listos para aplicaciones aún se aprovechan raramente, sin embargo, desbloquean ventajas significativas.

Al entregar procesadores, memoria e interfaces de alta velocidad en un solo módulo estandarizado, los diseñadores pueden centrarse en adaptar la carrier board a requisitos precisos de tamaño e I/O. Este enfoque agiliza el tiempo de diseño, permite un time-to-market rápido y reduce costes de producción —particularmente para productos de pequeños lotes donde un diseño personalizado completo sería prohibitivo.

Como solo el módulo se cambia durante una actualización, el coste puede reducirse aproximadamente un 50 % comparado con un reemplazo completo de un sistema rack 1U o 3U. El resultado es una inversión más sostenible y un retorno de inversión extendido a lo largo del ciclo de vida del producto.

Más allá de los beneficios genéricos, COM‑HPC Server introduce refinamientos técnicos previamente no disponibles en este factor de forma. La especificación no se limita a CPUs x86; soporta explícitamente procesadores RISC, FPGAs y GPGPUs. Las primeras muestras con estas unidades de computación alternativas se mostraron en Embedded World 2023.

Por primera vez, los OEMs pueden diseñar arquitecturas de servidor heterogéneas que combinan múltiples tipos de computación y aceleradores dentro de un único ecosistema oficialmente especificado. La especificación también define un modo esclavo para módulos, dando a los diseñadores aún más flexibilidad para integrar componentes heredados.

Los módulos COM‑HPC Server apuntan a servidores edge y fog que demandan la potencia de computación de alto rendimiento de los próximos procesadores. Con un presupuesto máximo de potencia de 300 W, el estándar promete niveles de rendimiento muy por encima de los módulos COM Express Type 7 limitados a 100 W actuales. Combinado con los saltos de rendimiento anticipados de CPUs de próxima generación, COM‑HPC está preparado para manejar enormes cargas de servidor.

Las huellas grandes simplifican la refrigeración y permiten el uso de CPUs o FPGAs potentes. COM‑HPC Server ofrece dos huellas: Tamaño E (200 mm × 160 mm) con hasta ocho zócalos DIMM para 1 TB de RAM, y Tamaño D (160 mm × 160 mm) con cuatro zócalos DIMM para 512 GB. La figura siguiente ilustra los dos tamaños.

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Figura 1: COM‑HPC Server especifica dos huellas—Tamaño E con hasta ocho zócalos DIMM para 1 TB de memoria, y Tamaño D con cuatro zócalos para 512 GB. El layout del conector difiere para prevenir montaje accidental incorrecto (Fuente: congatec).

Las huellas ampliadas permiten módulos DIMM completos, entregando el ancho de banda y capacidad requeridos para servidores micro, edge y fog. Tamaño E soporta hasta 8 DIMMs (≈ 1 TB), mientras que Tamaño D soporta hasta 4 DIMMs (≈ 512 GB).

COM‑HPC Server define 8 × puertos 25 GbE y 65 lanes PCIe (Gen 4.0/5.0). Un lane está reservado para el controlador de gestión de placa opcional; los 64 lanes restantes alimentan dispositivos periféricos, permitiendo un throughput de I/O de hasta 256 GB/s.

Con su extensa matriz de I/O, COM‑HPC Server puede alojar aceleradores —GPGPUs, FPGAs, ASICs— así como almacenamiento NVMe. Dos puertos USB 4.0 (40 Gb/s) en la interfaz Thunderbolt 3.0 y dos puertos USB 3.2 (20 Gb/s) complementan los lanes PCIe, mientras que interfaces adicionales USB 2.0, SATA, eSPI, SPI, SMB, I²C, UART y GPIO completan el conjunto de características. Un puerto dedicado 10 GbE soporta gestión remota.

COM‑HPC introduce una interfaz dedicada de gestión de sistema, en desarrollo por el Subcomité de Gestión Remota PICMG. Aporta características derivadas de IPMI para gestión remota de módulos edge-server, incluyendo fiabilidad, disponibilidad, mantenibilidad y seguridad (RAMS). Los OEMs pueden extender funcionalidad vía un controlador de gestión de placa opcional en la carrier board.

COM‑HPC Client – Más Grande, Más Rápido, Más

Mientras COM‑HPC Server apunta a nuevos diseños de servidores edge embebidos, los sistemas embebidos de "alto rendimiento clásico" —históricamente basados en COM Express Type 6— aún dominan muchos mercados. Los OEMs naturalmente preguntan si COM‑HPC volverá obsoletos sus diseños existentes, cuándo cambiar, y qué beneficios pueden esperar para los clientes.

Tres Tamaños

Ambos estándares definen tres tamaños de módulo. COM‑HPC Client usa 120 mm × 160 mm (Tamaño C), 120 mm × 120 mm (Tamaño B), y 120 mm × 95 mm (Tamaño A). La huella más pequeña es casi idéntica a COM Express Basic (125 mm × 95 mm), demostrando que COM‑HPC se sitúa por encima de COM Express y apunta a aplicaciones más allá de su alcance.

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Figura 3: COM Express y COM‑HPC Client comparten tres huellas; el COM‑HPC Tamaño A más pequeño es virtualmente idéntico a COM Express Basic, ilustrando el posicionamiento superior de COM‑HPC (Fuente: congatec).

Más Potencia

La especificación permite un presupuesto de potencia de 200 W —aproximadamente tres veces el límite de los módulos COM Express Type 6 más potentes actuales. Ambos estándares soportan memoria SODIMM o soldada; COM‑HPC Client puede alojar hasta cuatro zócalos SODIMM, permitiendo mayores capacidades de memoria mientras COM Express ya soporta hasta 96 GB.

Más y Más Rápidas Interfaces

La diferencia clave entre los dos estándares reside en el conector y conteo de pines. COM‑HPC Client introduce un conector de 400 pines (dos conectores para un total de 800 pines), casi el doble de los 440 pines de COM Express Type 6. Este conteo extra de pines acomoda más lanes PCIe, Ethernet de mayor velocidad, y puertos USB adicionales.

COM‑HPC Client ofrece 49 lanes PCIe a la carrier board —el doble de los 24 lanes disponibles en COM Express Type 6— mientras un lane permanece dedicado al controlador de gestión de placa. Dos puertos Ethernet 25 GbE KR y hasta dos puertos 10 Gb Base‑T se integran directamente en el módulo. En contraste, COM Express Type 6 proporciona un solo puerto 1 GbE con interfaces adicionales opcionales en la carrier board.

Gráficos y Audio

Ambos estándares soportan hasta cuatro displays vía tres puertos DDI y un DisplayPort integrado. COM‑HPC reemplaza la interfaz de audio HDA con SoundWire, un estándar basado en MIPI que requiere solo dos lanes (reloj y datos) y soporta hasta cuatro códecs de audio.

Ancho de Banda USB y MIPI‑CSI

COM‑HPC Client suministra cuatro puertos USB 4.0 (40 Gb/s) y cuatro puertos USB 2.0, ofreciendo mayor ancho de banda agregado que los 4 × USB 3.1 y 8 × USB 2.0 de COM Express Type 6. También añade dos interfaces MIPI‑CSI para conectividad de cámara de bajo coste, útil para conciencia situacional y robótica colaborativa.

Otras interfaces reflejan COM Express: dos puertos SATA, 2 × UART, 12 × GPIO, 2 × I²C, 2 × SPI, y eSPI. COM Express incluye bus CAN opcional en el conector, una característica ausente en COM‑HPC.

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Figura 4: Las interfaces COM‑HPC Client y COM Express Type 6 difieren principalmente en número de lanes PCIe, puertos Ethernet, puertos USB, y el soporte de gestión remota aún por especificar (Fuente: congatec).

Los OEMs usando COM Express pueden estar tranquilos de que el estándar seguirá siendo viable por muchos años. Las generaciones PCIe son compatibles hacia atrás, y diseños basados en Gen 3.0 seguirán siendo serviceables mucho después de que llegue Gen 4.0. Si sus especificaciones de interfaz actuales satisfacen sus necesidades, no hay urgencia para migrar.

Si sus aplicaciones demandan más de 32 lanes PCIe, PCIe 4.0 de ancho de banda completo, múltiples puertos Ethernet 25 Gb/s, o características avanzadas de gestión remota, COM‑HPC es la elección lógica. De lo contrario, el dicho "nunca cambies un sistema que funciona" sigue vigente.