COM-HPC on PICMG-järjestön tuleva korkean suorituskyvyn COM-korttimoduulien standardi. Moduulin nastoitus ja siten toiminnallisuus hyväksyttiin vastikään virallisesti. congatec paljastaa nyt lisää yksityiskohtia standardista.

COM-HPC-määrityksen lopullinen PICMG-ratifiointi on suunniteltu alkaneen vuoden ensimmäiselle puoliskolle. PICMG-alakomitea hyväksyi kuitenkin jo kaksi keskeistä näkökohtaa marraskuussa 2019: fyysiset mitat ja nastoituksen. Tämä antaa määrityksen kehittämiseen osallistuville yrityksille mahdollisuuden esitellä ensimmäiset tuotteensa markkinoilla pian sen virallisen ratifioinnin jälkeen. Siihen asti on hyvin tiukasti rajattu, mitä tietoja standardista voidaan kertoa. congatecille on annettu harvinainen tilaisuus jakaa lisätietoja COM-HPC -standardin nastoituksesta ja komponenttimitoista, joita monet nopeiden sulautettujen järjestelmien kehittäjät varmasti käyttävät tulevien Intel- ja AMD-prosessorien sukupolvien kanssa huippuluokan sulautetuissa ja keskiluokan palvelinsuunnitteluissa.

IHS Markit arvioi, että COM-korttimoduulien osuus sulautettujen korttien, moduulien ja järjestelmien kokonaismyynnistä vuonna 2020 on noin 38 prosenttia. Tämä kuvaa hyvin moduulien kehityksen merkitystä näillä markkinoilla, jotka ovat ensimmäisen COM-korttitietokoneen käynnistämisen jälkeen luoneet kaksi tärkeää standardia suorituskykyiselle sulautetulle laskennalle: ETX ja sen seuraaja COM Express.

Korkeampi suorituskyky, enemmän liitäntöjä

Tarve uudelle COM Expressiä täydentävälle standardille on nopeasti selitetty: Digitaalisuuden kasvun myötä suuremman suorituskyvyn sulautettujen tietokoneiden kysyntä kasvaa. Uuden verkon reunalla toimivien sulautettujen palvelimien luokassa laitteiden skaalautuvuuden on oltava rajaton. 440-nastaisella COM Expressillä ei ole tarpeeksi liitäntöjä tehokkaisiin edge-palvelimiin. Myös COM Express -liittimen suorituskyky lähestyy hitaasti rajojaan. Vaikka COM Express pystyy helposti käsittelemään PCIe Gen 3:n 8,0 gigahertsin nopeuden ja 8 gigabitin datakaistan, on edelleen auki, pystyykö liitin vastaamaan joihinkin uusiin edistysakseliin, kuten neljännen polven PCIe-liitäntään.

Etäpalvelimen sulautettu suorituskyky

Äärimmäisen edge-suorituskyvyn ja laajennetun liitettävyyden tarve on suurin uudessa etähallittavien reunapalvelimien luokassa, joita käytetään yhä enemmän hajautettuina järjestelminä teollisissa sovelluksissa ankarissa ympäristöissä ja laajalla lämpötila-alueella. Tämän suorituskykytarpeen havainnollistamiseksi käy esimerkiksi autonominen ajoneuvo, joka käyttää konenäköä ja tekoälylogiikkaa tilannetietoisuuden luomiseen. Se ei yksinkertaisesti voi odottaa algoritmin laskemista pilvessä ongelmien ilmaantuessa, vaan sen on kyettävä reagoimaan välittömästi. Sama pätee yhteistyörobotteihin eli cobotteihin. Ne vaativat järjestelmältä vähintään 10 GbE -liitännän ja kyvyn käyttää suurta määrää rinnakkaisia laskentayksiköitä esimerkiksi kuvantamisanturidatan esiprosessointiin tai monimutkaisten syväoppimisalgoritmien suorittamiseen. Nykyään tällaisten joustavien ja monitoimisten tehtävien suorittamiseen käytetään yhä enemmän yleiskäyttöisiä grafiikka- eli GPGPU-prosessoreita. Korvatessaan usein FPGA- ja DSP-piirit ne tarvitsevat nopean yhteyden keskusprosessorin ytimiin ja tämä tarve kasvaa tehtävien monimutkaisuuden myötä. Monien PCIe-linjojensa ansiosta COM-HPC-järjestelmiin sopii huomattavasti enemmän suorituskykyä nostavia kiihdytyskortteja kuin mihin COM Express koskaan pystyisi.

Massiivinen rinnakkaisdatan prosessointi

Tehokkaiden prosessorien ja datan massiivisen rinnakkaisprosessoinnin yhdistelmää vaaditaan myös lääketieteellisessä kuvantamisessa, jossa tekoälyn käyttö lisääntyy lääketieteellisen diagnoosin tukemiseksi olemassa olevien havaintojen perusteella. Samat suorituskykyvaatimukset koskevat lukuisia teollisuuden valvontajärjestelmissä käytettäviä konenäköjärjestelmiä ja julkisia videovalvontajärjestelmiä. Koko Teollisuus 4.0 -sovellusten kenttä tarvitsee myös tehokkaamman liitettävyyden, koska yhä enemmän aiemmin erillisesti toimivia koneita ja järjestelmiä verkotetaan.

Kaikki tämä lisää sulautettujen järjestelmien suurinopeuksisten liitäntöjen kysyntää. Näihin kuuluu myös TSN-tuki kosketukseen perustuvissa reaaliaikasovelluksissa. Lisäksi yhä suurempi osa laskennasta on koottava yhteen järjestelmään. Konenäköjärjestelmissä tapahtuvan tietojen esikäsittelyn ja syväoppimisen ohella tähän sisältyvät palomuurit ja valvontajärjestelmät tunkeutumisen havaitsemiseksi, joiden on käsiteltävä käytännöllisesti katsoen samanlaisia työkuormia käynnissä olevien sovellusten kanssa. Tämä kaksinkertaistaa vaatimukset ja edellyttää hypervisor-tekniikoiden käyttöä reaaliaikalaskentaan kykenevissä virtuaalikoneissa, kuten Real-Time Systemsin RTS Hypervisorissa. Muita sovelluksia ovat autojen testausjärjestelmien ja 5G-mittaustekniikan datan kokoaminen sekä teollisuuden tallennusjärjestelmät, joissa on nopea PCIe-liitäntäinen NVMe-muisti. 5G-radiomastojen ja modulaaristen palvelimien teollisuuden palvelinräkkeihin asennettu reunalogiikka voi myös hyötyä korkean suorituskyvyn COM-moduuleista.

Jopa yksi teratavu RAM-muistia

COM-HPC vastaa näihin korkean suorituskyvyn vaatimuksiin tuomalla käyttöön jopa 100 gigabitin Ethernetin, 32 gigabitin neljännen ja viidennen polven PCIe-liitännät, sekä kahdeksan DIMM-korttipaikkaa ja nopeat prosessorit, joiden lämpötehobudjetti on yli 200 wattia. Uusi standardi määrittelee kaksi perusvaihtoehtoa: COM HPC -etäpalvelinmoduulit, joita voidaan kutsua myös palvelinmoduuleiksi, ja COM HPC-asiakasmoduulit, jotka vastaavat COM Express Type 6 -moduuleja.

COM-HPC-palvelinmoduuleihin pystyy asentamaan massiivisen yhden teratavun RAM-muistin kahdeksaan DIMM-paikkaan. Niissä voidaan hyödyntää jopa 8x25 GbE-nopeutta ja ne tukevat jopa 64:ää PCIe Gen 4- tai Gen 5 -linjaa, mikä tarkoittaa jopa 250 gigatavun I/O-suorituskykyä sekunnissa. Tällainen ultranopea liitäntä kuuluu sulautettujen reunapalvelimien luokkaan, sillä uudet PCIe-liitännät tuovat yli 32 gigabitin siirtonopeuden PCIe Gen 5 -liitännällä. Tällaista suorituskykyä todella tarvitaan, ja se voidaan toteuttaa suoraan suurinopeuksisilla liitännöillä, koska markkinoilla on jo komponentteja, jotka yltävät 28 gigabitin nopeuteen NRZ-linjakoodattuna (Non-Return-to-Zero).

Lisäksi kortin 800 nastaan on suunniteltu jopa 2 erittäin tehokasta USB 4-liitäntää. Thunderbolt 3.0:een perustuvina nämä liitännät siirtävät dataa 40 gigabittiä sekunnissa. Tämä vastaa noin 5 gigatavua sekunnissa ja on noin kaksi kertaa nopeampi kuin enintään 20 gigabittiin yltävä USB 3.2, jota tukevia liitäntöjä kortilla on jopa kaksi. USB-valikoimaa COM-HPC-korteilla täydentää neljä USB 2.0 -liitäntää. Kahden natiivin SAT-liitännän rinnalla kortti tuo tuen myös eSPI-, 2xSPI-, SMB-, 2x I2C-, 2xUART- ja 12 GPIO-liitännälle yksinkertaisten oheislaitteiden ja standardiliitäntöjen integroimiseksi esimerkiksi palvelutarkoituksiin.

Palvelintason kortin hallinta

Toinen uusi COM-HPC-ominaisuus on integroitu järjestelmänhallintarajapinta. Tämän ohjelmistorajapinnan, jota PICMG-alakomitea määrittelee parhaillaan, tarkoituksena on sisällyttää pieni alajoukko tehokasta ja monimutkaista IPMI-määritelmää COM-HPC-standardiin, jotta täydet palvelintoiminnot olisi helppo toteuttaa. Tämän rajapinnan ansiosta COM-HPC tulee tarjoamaan todellisia edge-palvelintoimintoja, joita voidaan laajentaa suuresti integroimalla kantakorteille sopivat palvelinluokan BMC-ohjaimet (Board Management Controllers).

Tarvitaan tietysti asianmukaisia kantakorttien suunnitteluoppaita, jotta standardiin ensimmäistä kertaa tutustuvat pääsevät alkuun. Määritys tarjoaa lisäksi mahdollisuuden kehittää COM-HPC-laitemoduuleja grafiikkaprosessoreille tai FPGA-piireille. Tätä tarkoitusta varten standardissa määritellään PCIe-kellotulot, jotta COM-HPC-moduuleja voidaan käyttää myös asiakas- eli client-laitteina. Tämän ansiosta on mahdollista suunnitella joustavia ja kompakteja heterogeenisiä laskentaratkaisuja ilman, että tarvitaan monimutkaisia korotuskortteja. Perinteisesti grafiikkakortteja kehitetään PCIe-liitäntöihin, jotka on asennettu 90 asteen kulmaan emolevyllä. Nämä ovat tarjonneet myös merkittävästi vähemmän vaihtoehtoja liitäntöihin.

Sama koskee vaihtoehtoa MXM3-näytönohjaimille, koska niissä on myös vain 314 nastaa. Kun COM-HPC mahdollistaa erittäin ohuet modulaariset suunnittelut myös GPGPU:lle, voidaan suunnitella ohuita korttipaikkoja räkkijärjestelmiin, joihin sopii sekä COM-HPC-palvelinmoduuleja että GPGPU-, FPGA- tai DSP-moduuleihin perustuvia kiihdytinmoduuleja. Sopivia ratkaisuja kaikille kolmelle kiihdytinvariantille on jo kehitteillä, joten COM-HPC ei ole enää vain sulautettujen reunapalvelinten prosessorien standardi, vaan sitä voidaan käyttää myös GPGPU-, FPGA- ja DSP-laajennuksiin.

800 nastaa 440 sijaan

Tämän erittäin korkean suorituskyvyn sulautettujen reunojen palvelinkorttien rinnalla COM-HPC-moduulien toinen luokka asemoi itsensä jonkin verran COM Express Type 6 -määrityksen yläpuolelle. Fyysisesti pienempänä se mahtuu vain neljään SO-DIMM-kantaan keskeisen eron löytyvä lähinnä nastoituksesta: 800 nastaa tarjoaa huomattavasti enemmän liitäntävaihtoehtoja kuin COM Expressin 440 nastaa. Mutta niin kauan kuin COM Express pystyy käsittelemään myös PCIe Gen 4 -liikennettä – mikä pätenee ainakin taaksepäin yhteensopivuutena – ei COM Express -järjestelmien kehittäjien tarvitse vaihtaa COM-HPC-asiakasmoduuleihin. 49 PCIe-linjan lisäksi (COM Express Type 6 tarjoaa vain 24) käytössä on nyt ensimmäistä kertaa kaksi 25 GbE KR -liitäntää ja kaksi 10 Gb BaseT -liitäntää, mikä on huomattavasti enemmän kuin nykyinen yksittäinen gigabitin Ethernetin LAN-liitäntä.

Toinen houkutteleva ominaisuus on jopa kaksi MIPI-CSI-liittymää, jotka mahdollistavat kustannustehokkaat kamerayhteydet paikkatietoisuuden ja cobotiikan (yhteistoimintarobotit) toteuttamiseksi. Monet kehittäjät arvostavat myös käteviä, monipuolisia ja erittäin tehokkaita USB 4.0 -liitäntöjä, joita tarjotaan neljän USB 2.0-liitännän lisäksi. USB4-portteja on tarjolla jopa neljä, jotta korttiin voidaan yhdistää erittäin nopea, jopa 40 gigabittiä sekunnissa siirtävä muisti tai kaksi 4K-näyttöä, virtalähde ja integroitu 10GbE-verkkoyhteys yhdellä USB-C-kaapelilla. Grafiikat on myös siistitty. Tuki sisältää nyt kolme erillistä DDI-liitäntää. Kantakortille on tulossa erilliset suunnittelut DisplayPort-, DVI-I / VGA- ja DVI-I-, HDMI- tai DVI-LVDS-muuntimille. Muita liitäntöjä ovat kaksi SoundWire-, I2S- ja SATA-liitäntää, sekä eSPI-, 2xSPI-, SMB-, 2x I2C-, 2x UART- ja 12 GPIO-liitäntää.

SoundWire, joka on lisätty määritykseen uutena liitäntänä, korvaa aiemmin käytetyn HDA-liitännän. SoundWire on MIPI-standardi, joka vaatii vain kaksi kello- ja datalinjaa, joiden kellotaajuus on jopa 2288 megahertsiä ja jolla voidaan liittää rinnan jopa neljä audiokoodekkia samanaikaisesti. Jokainen koodekki vastaanottaa oman ID-tunnuksensa, joka evaluoidaan.

OEM-laitevalmistajat, joilla on bisnessuhde jonkin uuden standardin kehityksessä mukana olleen yrityksen kanssa, voivat jo aloittaa sopivien kantakorttien suunnittelun, kunhan ne pidetään NDA:N alaisina eikä niitä jaeta kolmansien osapuolten kanssa. Uusi standardi tulee saataville avoimena standardina vasta virallisen julkaisun jälkeen. PICMG-järjestön COM-HPC-alakomiteaan kuuluvat Acromag, Adlink, Advantech, AMI, Amphenol, congatec, Elma Electronic, Emerson Machine Automation Solutions, Ept, Fastwel, GE Automation, HEITEC, Intel, Kontron, MEN, MSC Technologies, NAT, nVent , Samtec, Seco, TE Connectivity, Trenz Electronic, University Bielefeld ja VersaLogic Corp. Adlink, congatec ja Kontron ovat komitean sponsoreita ja congatecin markkinointijohtaja Christian Eder toimii COM-HPC-komitean puheenjohtajana. Hänellä on myös ollut tärkeä rooli nykyisen COM Express -standardin luonnoksen kehittäjänä. Stefan Milnor Kontronista ja Dylan Lang Samtecista tukevat Christian Ederiä COM-HPC-komitean toimittajana ja sihteerinä.

Lisätietoa uudesta COM-HPC-standardista ja sen nastoituksesta löytyy osoitteista https://www.congatec.com/COM-HPC ja https://www.picmg.org/openstandards/development/.