Compreendendo o padrão COM-HPC para projetos de sistemas modulares

A indústria de computação embarcada está prestes a lançar COM-HPC como o padrão de próxima geração para projetos de sistemas modulares. Uma vez que COM-HPC é complexo e às vezes mal compreendido, são necessárias informações claras.

Alguns veem o padrão COM-HPC do PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) como uma plataforma totalmente nova que aborda aplicativos totalmente novos. O campo de servidores de borda embarcados, que deve gerenciar cargas de trabalho massivas em ambientes hostis, pensa assim. O segundo campo são os usuários COM Express existentes. Eles estão menos interessados ​​nos módulos de servidor e, em vez disso, preocupam-se mais com os módulos clientes do novo padrão COM-HPC. Eles estão um pouco mais céticos em relação ao COM-HPC. Eles querem proteger os investimentos existentes em COM Express, perguntando-se:por quanto tempo o COM Express estará disponível e eu tenho que mudar para COM-HPC agora? Quais são as vantagens para meus clientes? Para eles, é mais importante saber quais os benefícios que os módulos de cliente COM-HPC oferecem e como eles diferem do COM Express. COM-HPC, portanto, atende a dois grupos-alvo separados, cada um com necessidades diferentes. Então, que potencial as duas novas subespecificações têm e como elas diferem?

Plataforma de padrão aberto para servidores incorporados

Um breve histórico de alto desempenho
Padrões de computador no módulo
ano Detalhes 2001Fundamento do ETX-IG e lançamento do primeiro módulo independente do fabricante padrão2005PICMG publica COM Express 1.0 especificação2010COM Express 2.0 especificação2012Vendas de módulos COM Express excedem aqueles da especificação ETX2012COM Express 2.12018Fundamento do Comitê PICMG COM-HPC 2019Lançamento da pinagem COM-HPC 2020Lançamento do Especificação COM-HPC
Padrões de computador em módulo abertos e independentes do fabricante garantem que os aplicativos tenham um ciclo de vida de várias décadas. Os OEMs ainda podem comprar novos módulos ETX hoje, apesar do fato de que esse formato é baseado puramente em barramentos legados. Graças à compatibilidade com versões anteriores, os padrões baseados em PCIe durarão ainda mais.

COM-HPC Server é o primeiro padrão verdadeiramente aberto para o desenvolvimento de projetos de servidor modular embutido em rack e servidor para ambientes hostis. No mundo clássico dos servidores de hoje, os módulos de processador prontos para aplicativos ainda raramente são aproveitados, embora essa abordagem ofereça muitas vantagens. Por exemplo, isso torna muito fácil perceber o tamanho específico e os requisitos de E / S:os desenvolvedores precisam apenas projetar a placa transportadora específica do aplicativo apropriado; os componentes centrais complexos, como processador, RAM e interfaces de alta velocidade, podem ser adquiridos em um módulo padronizado.

Como o design da placa de transporte exige menos esforço do que o design totalmente personalizado, essa abordagem também pode ser aplicada com eficiência a séries de produtos menores, onde produtos padrão costumavam ser um compromisso insatisfatório, mas inevitável. Além disso, o conceito modular também reduz significativamente o custo de atualizações de desempenho. Comparado com a substituição completa de um sistema de rack 1U ou 3U, um projeto de servidor modular pode reduzir o custo de uma atualização em cerca de 50% porque apenas o módulo é substituído. Essa abordagem, portanto, melhora a sustentabilidade do investimento, bem como a disponibilidade de longo prazo e o ROI das soluções, já que podem ser usadas por mais tempo.

Mais unidades de computação em um padrão

Além das vantagens genéricas de um conceito modular, COM-HPC Server também oferece alguns refinamentos técnicos que anteriormente não estavam disponíveis em módulos nesta forma. Por exemplo, o padrão COM-HPC não se limita a processadores x86, mas fornece explicitamente o uso de processadores RISC, FPGAs e unidades de processamento gráfico de uso geral (GPGPUs). As primeiras amostras com essas unidades de computação alternativas foram mostradas no estande da PICMG durante o Embedded World.

Portanto, pela primeira vez, tornou-se possível desenvolver e implementar designs de servidor heterogêneos com uma ampla gama de unidades de computação e acelerador dentro de uma única especificação oficial e ecossistema padronizado. Para facilitar isso, a nova especificação também suporta modos escravos para os módulos pela primeira vez. Os OEMs se beneficiam não apenas de um design simplificado e mais eficiente, mas também podem reutilizar seu know-how de forma mais eficaz.

Mais espaço para mais desempenho

Os módulos COM-HPC Server têm como objetivo fornecer aos aplicativos de servidor edge and fog o poder de computação de alto desempenho exigido pelos novos processadores de servidor edge embutidos que os fabricantes de semicondutores devem lançar em breve. O orçamento de energia máximo especificado de 300 watts para módulos COM-HPC Server dá uma indicação do desempenho esperado, pelo menos a médio prazo. Para efeito de comparação:o mais poderoso servidor no módulo COM Express Tipo 7 atualmente permite um máximo de 100 watts. Dimensione isso, levando em consideração o salto de desempenho previsto, e é fácil ver que o COM-HPC será capaz de cobrir cargas de servidor imensas no futuro.

Além desse potencial de alto desempenho, é importante quanto espaço os módulos fornecem para os processadores ou unidades de computação alternativas. Isso fica claro quando olhamos para as atuais CPUs de alto desempenho da Intel e AMD com 16 ou mais núcleos ou os poderosos FPGAs, que podem ser do tamanho da palma da mão. Para eles, o COM-HPC Server oferece dimensões do módulo de 200 mm x 160 mm (Tamanho E) ou 160 mm x 160 mm (Tamanho D), conforme mostrado na Figura 1. Essas dimensões comparativamente grandes também simplificam a dissipação de calor, proporcionando espaço para maiores dissipadores de calor que podem distribuir o calor residual com mais eficiência.

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Figura 1:COM-HPC Server especifica duas pegadas diferentes:Tamanho E com espaço para até 8 soquetes DIMM para atualmente 1 terabyte de RAM, e 20% menor pegada Tamanho D para 4 soquetes DIMM. Embora o servidor e cliente COM-HPC usem os mesmos conectores com 2 x 400 pinos, eles são posicionados a distâncias diferentes um do outro. Isso evita danos causados ​​pela montagem acidental do tipo errado de módulo (Fonte:congatec).

Mais desempenho de memória

Com essas grandes pegadas, os módulos COM-HPC Server também fornecem mais desempenho de memória. Eles têm espaço suficiente para módulos de memória DIMM completos que atendem aos requisitos de largura de banda de alta memória e tamanho de servidores micro, edge e fog. No footprint de tamanho E, eles podem hospedar até 8 soquetes DIMM para atualmente até 1,0 terabyte de memória. No footprint de tamanho D, eles podem hospedar um máximo de 4 soquetes DIMM para atualmente até 512 gigabytes de memória.

Mais desempenho de I / O

Para conexão de placa transportadora, o COM-HPC Server define 8x 25 GbE, bem como 65 pistas PCIe para PCI Express Gen 4.0 e Gen 5.0 (Figura 2). Uma dessas pistas é reservada para comunicação com um controlador de gerenciamento de placa opcional (BMC) na placa da operadora, enquanto as 64 pistas PCIe restantes podem ser usadas para conectar periféricos.

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Figura 2:Os principais recursos dos módulos COM-HPC Server:Extraordinariamente grande número de interfaces de alta velocidade, excelente largura de banda de rede e desempenho do servidor headless (Fonte:congatec).

O COM-HPC Server, portanto, oferece conectividade extremamente ampla e poderosa, por exemplo, para conectar aceleradores de computação adicionais, como GPGPUs, FPGAS e ASICS - por exemplo, na forma de módulos COM-HPC correspondentes - ou mídia de armazenamento baseada em NVMe. No total, os designs de servidor COM-HPC se beneficiam de um desempenho de E / S de até 256 Gigabyte / s via PCIe. Mais 2x 40 Gigabit / s podem ser adicionados através das duas interfaces USB 4.0 nas versões Thunderbolt 3.0, bem como 2x 20 Gigabit / s através das duas interfaces USB 3.2 especificadas. Quatro interfaces USB 2.0 adicionais completam a oferta USB nos módulos COM-HPC Server. Além de 2x SATA nativos, eles também suportam eSPI, 2xSPI, SMB, 2x I2C, 2xUART e 12 GPIOs para integrar periféricos simples e interfaces de comunicação padrão, por exemplo, para fins de serviço. Uma porta Ethernet de 10 Gb adicional fornece um canal de comunicação dedicado que pode ser usado para gerenciamento remoto e fora de banda.

Gerenciamento de placa de nível de servidor otimizado

Outra inovação no setor a ser introduzida pelo COM-HPC é uma interface de gerenciamento de sistema dedicada. Esta interface está sendo desenvolvida no Subcomitê de Gerenciamento Remoto do PICMG. O objetivo é disponibilizar partes do conjunto de recursos especificados na interface de gerenciamento de plataforma inteligente (IPMI) para gerenciamento de módulo de servidor de borda remoto. Semelhante à função escravo, COM-HPC, portanto, também fornecerá funções de comunicação estendidas para gerenciamento remoto. Graças a esse recurso, os OEMs e os usuários poderão garantir confiabilidade, disponibilidade, manutenção e segurança (RAMS), um conjunto comum de requisitos para servidores. Para necessidades individuais, esta função pode ser expandida por meio do controlador de gerenciamento de placa opcional na placa da operadora. Isso fornece aos OEMs uma base uniforme para gerenciamento remoto que pode ser adaptada a requisitos específicos.

Cliente COM-HPC - maior, mais rápido, mais

Embora a especificação do servidor COM-HPC se concentre em designs de servidor de borda incorporados completamente novos, há também os sistemas incorporados de alto desempenho “clássicos”, que têm aproveitado o COM Express Type 6 até agora. Os OEMs estão se perguntando se o COM-HPC tornará seus designs COM Express existentes obsoletos, quando seria o melhor momento para mudar para o COM-HPC e quais vantagens o COM-HPC tem para eles e seus clientes. Para responder a essas perguntas, é importante saber em detalhes quais funções os módulos COM-HPC Client oferecem e compará-las com as funções COM Express.

Três tamanhos

Em muitos aspectos, os dois padrões têm mais semelhanças do que diferenças. Como o COM Express, o COM-HPC Client especifica três tamanhos de módulo:120 mm x 160 mm (Tamanho C), 120 mm x 120 mm (Tamanho B) e 120 mm x 95 mm (Tamanho A). Isso significa que o menor espaço do COM-HPC Client é virtualmente idêntico ao COM Express Basic, que mede 125 mm x 95 mm. Isso por si só mostra que o COM-HPC Client fica acima do COM Express, endereçando aplicativos que não podem ser alcançados com o COM Express. (Figura 3).

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Figura 3:COM Express e COM-HPC Client definem três pegadas diferentes. No entanto, com o menor COM-HPC Tamanho A quase idêntico ao COM Express Basic, é imediatamente evidente que COM-HPC está posicionado acima de COM Express (Fonte:congatec).

Mais potência

Isso também se reflete no orçamento de energia suportado de 200 watts, que é cerca de três vezes mais do que os módulos COM Express Tipo 6 mais poderosos da atualidade. No que diz respeito à memória, enquanto COM-HPC Client e COM Express usam SODIMMS ou memória soldada, COM-HPC pode acomodar mais memória com até 4 soquetes SODIMM. No entanto, com o COM Express já capaz de suportar 96 GBytes hoje, ele também atende a altos requisitos de memória.

Interfaces cada vez mais rápidas

Do ponto de vista do layout, a diferença mais importante entre os módulos COM Express e COM-HPC diz respeito ao conector e ao número de pinos de sinal que conectam o módulo à placa transportadora específica do aplicativo, como mostra a Figura 4.

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Figura 4:As interfaces COM-HPC Client e COM Express Type 6 diferem principalmente no número de pistas PCIe e na largura de banda, as interfaces Ethernet e portas USB, e o suporte de gerenciamento remoto estendido ainda a ser especificado ( Fonte:congatec).

COM-HPC aproveita um novo conector projetado para as interfaces de alta velocidade mais recentes e já especificado para altas taxas de clock de PCIe 5.0 e 25 Gb / s. COM Express oferece suporte a PCIe Gen 3.0 e PCIe 4.0 no modo de compatibilidade. Mas é claro, os processadores embarcados com PCIe Gen 4.0 devem primeiro ser disponibilizados. Como COM Express, COM-HPC suporta dois conectores, mas com 400 pinos cada. Portanto, com 800 pinos de sinal no total, COM-HPC tem quase duas vezes mais pinos que os módulos COM Express Tipo 6 com 440 pinos. Nem é preciso dizer que isso também oferece espaço para muito mais interfaces.

Os módulos COM-HPC Client usam-nos para 49 pistas PCIe para a placa transportadora, uma das quais se destina novamente à comunicação com o BMC da placa transportadora. Isso é o dobro de pistas do COM Express Tipo 6, com um máximo de 24 pistas. Duas interfaces 25 GbE KR Ethernet e até duas interfaces 10 Gb BaseT também são fornecidas diretamente no módulo. COM Express Type 6 suporta 1x 1 GbE, com a opção de implementar outras interfaces de rede através da placa de operadora.

gráficos 4x

O suporte gráfico é idêntico em ambos os padrões; ao mesmo tempo, é o que distingue esses módulos dos módulos COM Express Server-on-Modules e COM-HPC Server. Ambos os padrões suportam até quatro monitores por meio de três interfaces de display digital (DDI) e 1x DisplayPort (eDP) incorporado. Em termos de interfaces multimídia, COM-HPC usa SoundWire no lugar da interface HDA especificada para COM Express. SoundWire é um novo padrão MIPI que requer apenas duas faixas:clock e dados, com uma taxa de clock de até 12,288 MHz. Até 4 codecs de áudio podem ser conectados em paralelo nessas duas vias, com cada codec recebendo seu próprio ID para análise.

Mais largura de banda USB mais MIPI-CSI

Voltado para o futuro também em termos de padrões USB suportados, COM-HPC especifica quatro interfaces USB 4.0, complementadas por 4x USB 2.0. Embora isso signifique que os módulos COM-HPC Client oferecem quatro portas USB a menos que os módulos COM Express Type 6, que executam até 4x USB 3.1 e 8x USB 2.0, isso é compensado por mais largura de banda, já que o USB 4.0 é projetado para taxas de transferência de até a 40 Gbit / s. Outro recurso atraente dos módulos COM-HPC Client é que eles fornecem duas interfaces MIPI-CSI, permitindo conexões de câmera econômicas para consciência situacional e robótica colaborativa.

O cliente COM-HPC oferece ainda 2 interfaces SATA para conectar SSDs e HDDs tradicionais, que são quase dispositivos legados hoje, além de interfaces industriais como 2x UART e 12x GPIO. 2x I2C, SPI e eSPI completam o conjunto de recursos. Todos esses recursos são comparáveis ​​aos módulos COM Express Tipo 6, que, em contraste com o COM-HPC, oferecem barramento CAN opcional por meio do conector como um recurso exclusivo.

A julgar pelas diferenças, os OEMs com designs baseados em COM Express podem ter a certeza de que serão bem servidos com COM Express por muitos anos. Isso também ocorre porque COM-HPC não apresenta um novo barramento de sistema - ao contrário das chaves de ISA para PCI e de PCI para PCI Express. Também vale a pena lembrar que os módulos COM Express não substituíram o ETX como os módulos mais vendidos até 2012 - uns bons 11 anos após a introdução do ETX. E os módulos ETX ainda são vendidos hoje. Como as gerações PCIe são compatíveis com as versões anteriores de seus predecessores, os designs com PCIe Gen 3.0 permanecerão em serviço por um longo tempo, mesmo após o PCIe Gen 4.0 ter sido introduzido em todos os níveis de processador. Portanto, desde que a especificação de interface fornecida seja adequada, não há absolutamente nenhuma necessidade de alteração.

No entanto, se você precisar de mais de 32 pistas PCIe, ou PCIe 4.0 em largura de banda total, USB 4.0 múltiplo 25 Gbit / s Ethernet e / ou recursos avançados de gerenciamento remoto, vale a pena fazer a troca. Caso contrário, siga o lema "nunca mude um sistema em execução".