Comprensión del estándar COM-HPC para diseños de sistemas modulares

La industria de la informática integrada está a punto de lanzar COM-HPC como el estándar de próxima generación para diseños de sistemas modulares. Dado que COM-HPC es complejo y, a veces, se malinterpreta, es necesaria una información clara.

Algunos ven el estándar COM-HPC del PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) como una plataforma completamente nueva que aborda aplicaciones completamente nuevas. El campo de servidores perimetrales integrados, que debe gestionar cargas de trabajo masivas en entornos hostiles, cree que sí. El segundo campamento son los usuarios de COM Express existentes. Están menos interesados ​​en los módulos de servidor y, en cambio, se preocupan más por los módulos de cliente del nuevo estándar COM-HPC. Son un poco más escépticos sobre COM-HPC. Quieren proteger las inversiones existentes en COM Express y se preguntan:¿Cuánto tiempo estará disponible COM Express y tengo que cambiarme a COM-HPC ahora? ¿Cuáles son las ventajas para mis clientes? Para ellos, lo más importante es saber qué beneficios ofrecen los módulos de cliente COM-HPC y en qué se diferencian de COM Express. Por lo tanto, COM-HPC se dirige a dos grupos objetivo separados, cada uno con necesidades diferentes. Entonces, ¿qué potencial tienen las dos nuevas subespecificaciones y en qué se diferencian?

Plataforma estándar abierta para servidores integrados

Una breve historia de
estándares de computadora en módulo de alto rendimiento

Año Detalles 2001 Fundación de ETX-IG y lanzamiento del primer estándar de módulo independiente del fabricante 2005 PICMG publica la especificación COM Express 1.0 2010 Especificación COM Express 2.0 2012 Las ventas de módulos COM Express superan las de ETX2012 Especificación COM Express 2.1 2018 Fundación del Comité PICMG COM-HPC 2019 Lanzamiento del pinout COM-HPC 2020 Lanzamiento del Especificación COM-HPC

Los estándares de Computer-on-Module abiertos e independientes del fabricante garantizan que las aplicaciones tengan un ciclo de vida de varias décadas. Los OEM todavía pueden comprar nuevos módulos ETX en la actualidad, a pesar de que este factor de forma se basa exclusivamente en buses heredados. Gracias a la compatibilidad con versiones anteriores, los estándares basados ​​en PCIe durarán aún más.

COM-HPC Server es el primer estándar verdaderamente abierto para el desarrollo de diseños de servidores en rack integrados modulares y servidores de caja para entornos hostiles. En el mundo de los servidores clásicos de hoy, los módulos de procesador listos para aplicaciones rara vez se aprovechan, aunque este enfoque ofrece muchas ventajas. Por ejemplo, facilita la realización de requisitos de E / S y tamaños específicos:los desarrolladores solo necesitan diseñar la placa portadora específica de la aplicación adecuada; los componentes centrales complejos como el procesador, la RAM y las interfaces de alta velocidad se pueden comprar en un módulo estandarizado.

Debido a que el diseño de la placa de soporte requiere menos esfuerzo que el diseño completamente personalizado, este enfoque también se puede aplicar de manera eficiente a series de productos más pequeñas, donde los productos estándar solían ser un compromiso insatisfactorio pero inevitable. Además, el concepto modular también reduce significativamente el costo de las actualizaciones de rendimiento. En comparación con el reemplazo completo de un sistema de rack de 1U o 3U, un diseño de servidor modular puede reducir el costo de una actualización en aproximadamente un 50% porque solo se reemplaza el módulo. Por tanto, este enfoque mejora la sostenibilidad de la inversión, así como la disponibilidad a largo plazo y el retorno de la inversión de las soluciones, ya que pueden utilizarse durante más tiempo.

Más unidades de cálculo en un estándar

Además de las ventajas genéricas de un concepto modular, COM-HPC Server también ofrece algunas mejoras técnicas que antes no estaban disponibles en módulos de esta forma. Por ejemplo, el estándar COM-HPC no se limita a los procesadores x86, sino que prevé explícitamente el uso de procesadores RISC, FPGA y unidades de procesamiento de gráficos de propósito general (GPGPU). Las primeras muestras con tales unidades de cómputo alternativas se mostraron en el stand de PICMG durante Embedded World.

Por lo tanto, por primera vez ha sido posible desarrollar e implementar diseños de servidores heterogéneos con una amplia gama de unidades de procesamiento y aceleración dentro de una única especificación oficial y un ecosistema estandarizado. Para facilitar esto, la nueva especificación también admite modos esclavos para los módulos por primera vez. Los fabricantes de equipos originales se benefician no solo de un diseño simplificado y más eficiente, sino que también pueden reutilizar sus conocimientos de manera más eficaz.

Más espacio para un mayor rendimiento

Los módulos de servidor COM-HPC tienen como objetivo proporcionar aplicaciones de servidor de borde y niebla con la potencia informática de alto rendimiento requerida por los nuevos procesadores de servidor de borde integrados que se prevé que los fabricantes de semiconductores lancen muy pronto. El presupuesto de energía máximo especificado de 300 vatios para los módulos de servidor COM-HPC da una indicación del rendimiento esperado, al menos a medio plazo. A modo de comparación:el servidor en módulo COM Express Type 7 más potente de la actualidad permite un máximo de 100 vatios. Escale esto, teniendo en cuenta el salto de rendimiento previsto, y es fácil ver que COM-HPC podrá cubrir inmensas cargas de servidor en el futuro.

Además de este potencial de alto rendimiento, es importante la cantidad de espacio que proporcionan los módulos para los procesadores o unidades de cálculo alternativas. Esto queda claro cuando se observan las CPU de alto rendimiento actuales de Intel y AMD con 16 o más núcleos o las potentes FPGA, que pueden ser del tamaño de la palma de la mano. Para ellos, COM-HPC Server ofrece espacios de módulo de 200 mm x 160 mm (tamaño E) o 160 mm x 160 mm (tamaño D) como se muestra en la Figura 1. Estos espacios comparativamente grandes también simplifican la disipación de calor, proporcionando espacio para más Disipadores de calor que pueden distribuir el desperdicio de calor de manera más eficiente.

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Figura 1:COM-HPC Server especifica dos tamaños diferentes:tamaño E con espacio para hasta 8 sockets DIMM para actualmente 1 terabyte de RAM, y el tamaño D un 20% más pequeño para 4 sockets DIMM. Si bien el servidor y el cliente COM-HPC utilizan los mismos conectores con 2 x 400 pines, se colocan a diferentes distancias entre sí. Esto evita daños por montar accidentalmente el tipo de módulo incorrecto (Fuente:congatec).

Más rendimiento de la memoria

Con estas grandes dimensiones, los módulos de servidor COM-HPC también proporcionan más rendimiento de memoria. Tienen suficiente espacio para módulos de memoria DIMM completos que cumplen con los requisitos de gran ancho de banda de memoria y tamaño de los servidores micro, de borde y de niebla. En el tamaño E, pueden albergar hasta 8 sockets DIMM para actualmente hasta 1.0 terabyte de memoria. En el tamaño D, pueden alojar un máximo de 4 zócalos DIMM para actualmente hasta 512 gigabytes de memoria.

Más rendimiento de E / S

Para la conexión de la placa portadora, COM-HPC Server define 8x 25 GbE, así como 65 carriles PCIe para PCI Express Gen 4.0 y Gen 5.0 (Figura 2). Uno de estos carriles está reservado para la comunicación con un controlador de gestión de placa (BMC) opcional en la placa portadora, mientras que los 64 carriles PCIe restantes se pueden usar para conectar periféricos.

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Figura 2:Las características clave de los módulos de servidor COM-HPC:número extraordinariamente grande de interfaces de alta velocidad, ancho de banda de red excepcional y rendimiento del servidor sin cabeza (Fuente:congatec).

Por lo tanto, el servidor COM-HPC ofrece una conectividad extremadamente amplia y potente, por ejemplo, para conectar aceleradores informáticos adicionales como GPGPU, FPGAS y ASICS, por ejemplo, en forma de módulos COM-HPC coincidentes, o medios de almacenamiento basados ​​en NVMe. En total, los diseños de servidor COM-HPC se benefician de un rendimiento de E / S de hasta 256 Gigabyte / s a ​​través de PCIe. Se pueden agregar 2 x 40 Gigabit / s más a través de las dos interfaces USB 4.0 en las versiones Thunderbolt 3.0, así como 2 x 20 Gigabit / s a ​​través de las dos interfaces USB 3.2 especificadas. Cuatro interfaces USB 2.0 adicionales completan la oferta USB en los módulos de servidor COM-HPC. Además de 2x SATA nativo, también admiten eSPI, 2xSPI, SMB, 2x I2C, 2xUART y 12 GPIO para integrar periféricos simples e interfaces de comunicación estándar, por ejemplo, para fines de servicio. Un puerto Ethernet de 10 Gb adicional proporciona un canal de comunicación dedicado que se puede utilizar para la administración remota y fuera de banda.

Gestión de placas optimizada a nivel de servidor

Otra primicia en la industria que ha introducido COM-HPC es una interfaz de gestión de sistema dedicada. Esta interfaz se está desarrollando actualmente en el Subcomité de gestión remota de PICMG. El objetivo es hacer que partes del conjunto de funciones especificadas en la interfaz de gestión de plataforma inteligente (IPMI) estén disponibles para la gestión del módulo de servidor de borde remoto. De forma similar a la función esclava, COM-HPC también proporcionará funciones de comunicación ampliadas para la gestión remota. Gracias a esta característica, los OEM y los usuarios podrán garantizar la confiabilidad, disponibilidad, mantenibilidad y seguridad (RAMS), un conjunto común de requisitos para los servidores. Para necesidades individuales, esta función se puede ampliar a través del controlador de gestión de placa opcional en la placa portadora. Esto proporciona a los OEM una base uniforme para la gestión remota que se puede adaptar a requisitos específicos.

COM-HPC Client:más grande, más rápido, más

Si bien la especificación del servidor COM-HPC se concentra en diseños de servidor de borde embebidos completamente nuevos, también existen, por supuesto, los sistemas embebidos de alto rendimiento "clásicos", que han estado aprovechando COM Express Tipo 6 hasta ahora. Los fabricantes de equipos originales se preguntan si COM-HPC hará que sus diseños COM Express existentes queden obsoletos, cuándo sería el mejor momento para cambiar a COM-HPC y qué ventajas tiene COM-HPC para ellos y sus clientes. Para responder a estas preguntas, es importante conocer en detalle qué funciones ofrecen los módulos de cliente COM-HPC y compararlas con las funciones de COM Express.

Tres tamaños

En muchos aspectos, los dos estándares tienen más similitudes que diferencias. Al igual que COM Express, COM-HPC Client especifica tres tamaños de módulo:120 mm x 160 mm (tamaño C), 120 mm x 120 mm (tamaño B) y 120 mm x 95 mm (tamaño A). Esto significa que la huella más pequeña de COM-HPC Client es prácticamente idéntica a COM Express Basic, que mide 125 mm x 95 mm. Esto solo muestra que COM-HPC Client se encuentra por encima de COM Express, dirigiendo aplicaciones a las que no se puede acceder con COM Express. (Figura 3).

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Figura 3:COM Express y COM-HPC Client definen tres huellas diferentes. Sin embargo, con el tamaño A de COM-HPC más pequeño, casi idéntico a COM Express Basic, es inmediatamente evidente que COM-HPC se coloca por encima de COM Express (Fuente:congatec).

Más potencia

Esto también se refleja en el presupuesto de energía admitido de 200 vatios, que es aproximadamente tres veces más que los módulos COM Express Type 6 más potentes de la actualidad. En lo que respecta a la memoria, mientras que COM-HPC Client y COM Express usan SODIMMS o memoria soldada, COM-HPC puede acomodar más memoria con hasta 4 sockets SODIMM. Sin embargo, con COM Express ya capaz de admitir 96 GBytes en la actualidad, también cumple con altos requisitos de memoria.

Más interfaces y más rápidas

Desde el punto de vista del diseño, la diferencia más importante entre los módulos COM Express y COM-HPC se refiere al conector y al número de pines de señal que conectan el módulo a la placa portadora específica de la aplicación, como se muestra en la Figura 4.

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Figura 4:Las interfaces COM-HPC Client y COM Express Type 6 difieren principalmente en el número de carriles PCIe y el ancho de banda, las interfaces Ethernet y los puertos USB, y el soporte de administración remota extendido aún por especificar ( Fuente:congatec).

COM-HPC aprovecha un nuevo conector que está diseñado para las últimas interfaces de alta velocidad y ya está especificado para las altas velocidades de reloj de PCIe 5.0 y 25 Gb / s. COM Express admite PCIe Gen 3.0 y PCIe 4.0 en modo de compatibilidad. Pero, por supuesto, los procesadores integrados con PCIe Gen 4.0 primero deben estar disponibles. Como COM Express, COM-HPC admite dos conectores, pero con 400 pines cada uno. Entonces, con 800 pines de señal en total, COM-HPC tiene casi el doble de pines que los módulos COM Express Tipo 6 con 440 pines. No hace falta decir que esto también proporciona espacio para muchas más interfaces.

Los módulos de cliente COM-HPC los utilizan para 49 carriles PCIe hacia la placa portadora, uno de los cuales está destinado nuevamente a la comunicación con el BMC de la placa portadora. Eso es el doble de carriles que los que ofrece COM Express Type 6 con un máximo de 24 carriles. También se proporcionan directamente en el módulo dos interfaces KR Ethernet de 25 GbE y hasta dos interfaces BaseT de 10 Gb. COM Express Type 6 admite 1x 1 GbE, con la opción de implementar más interfaces de red a través de la placa portadora.

Gráficos 4x

El soporte de gráficos es idéntico en ambos estándares; al mismo tiempo, es lo que distingue a estos módulos de los módulos COM Express Server-on-Modules y COM-HPC Server sin cabeza. Ambos estándares admiten hasta cuatro pantallas a través de tres interfaces de pantalla digital (DDI) y 1x DisplayPort integrado (eDP). En términos de interfaces multimedia, COM-HPC usa SoundWire en lugar de la interfaz HDA especificada para COM Express. SoundWire es un nuevo estándar MIPI que requiere solo dos carriles:reloj y datos, con una frecuencia de reloj de hasta 12.288 MHz. Se pueden conectar hasta 4 códecs de audio en paralelo a través de estos dos carriles, y cada códec recibe su propia ID para su análisis.

Más ancho de banda USB más MIPI-CSI

Preparado para el futuro también en términos de los estándares USB compatibles, COM-HPC especifica cuatro interfaces USB 4.0, complementadas con 4x USB 2.0. Si bien esto significa que los módulos de cliente COM-HPC ofrecen cuatro puertos USB menos que los módulos COM Express Type 6, que ejecutan hasta 4x USB 3.1 y 8x USB 2.0, esto se compensa con más ancho de banda, ya que USB 4.0 está diseñado para velocidades de transferencia de hasta a 40 Gbit / s. Otra característica atractiva de los módulos de cliente COM-HPC es que proporcionan dos interfaces MIPI-CSI, lo que permite conexiones de cámara rentables para el conocimiento de la situación y la robótica colaborativa.

COM-HPC Client ofrece además 2x interfaces SATA para conectar SSD y HDD tradicionales, que son casi dispositivos heredados en la actualidad, además de interfaces industriales como 2x UART y 12x GPIO. 2x I2C, SPI y eSPI completan el conjunto de funciones. Todas estas características son comparables a los módulos COM Express Tipo 6, que en contraste con COM-HPC ofrecen bus CAN opcional a través del conector como característica única.

A juzgar por las diferencias, los OEM con diseños basados ​​en COM Express pueden estar seguros de que estarán bien atendidos con COM Express durante muchos años. Esto también se debe a que COM-HPC no introduce un nuevo bus de sistema, a diferencia de los conmutadores de ISA a PCI y de PCI a PCI Express. También vale la pena recordar que los módulos COM Express no reemplazaron a ETX como los módulos más vendidos hasta 2012, unos buenos 11 años después de la introducción de ETX. Y los módulos ETX todavía se venden hoy. Dado que las generaciones de PCIe son compatibles con versiones anteriores de sus predecesoras, los diseños con PCIe Gen 3.0 permanecerán en servicio durante mucho tiempo, incluso después de que se haya introducido PCIe Gen 4.0 en todos los niveles de procesador. Por lo tanto, siempre que la especificación de interfaz dada sea adecuada, no hay absolutamente ninguna necesidad de cambiar.

Sin embargo, si necesita más de 32 carriles PCIe, o necesita PCIe 4.0 en ancho de banda completo, USB 4.0 con múltiples 25 Gbit / s Ethernet y / o funciones avanzadas de administración remota, vale la pena hacer el cambio. De lo contrario, adhiérase al lema "nunca cambie un sistema en ejecución".