Ensimmäistä kertaa moneen vuoteen huippuluokan sulautetut prosessorit ovat saatavana kahdella Computer-on-Module -vaihtoehdolla. COM-HPC Client ja COM Express Type 6 tarjoavat suunnittelijalle mahdollisuuden valita, mikä korttityyppi sopii parhaiten heidän vaatimuksiinsa.

COM Express on dominoinut huippuluokan sulautettua tietojenkäsittelyä. Nyt COM-HPC:n saapuminen herättää uusia kysymyksiä kaikille, jotka arvioivat seuraavaa huippuluokan sulautettua projektiaan. Yksi kysymys on, kilpailevatko COM Express ja COM-HPC keskenään. Vastaus on ei, koska niiden tekniset tiedot on suunniteltu täydentämään toisiaan, minkä vuoksi molemmat kortit tukevat 11. sukupolven Intel Core -prosessoreita.

Toinen kysymys on se, pitääkö aiemmat COM Express -investoinnit skaalata vai vaihdetaanko uuteen moduulistandardiin, jolloin täytyy suunnitella myös uusi kantakortti. Päätös on erityisen tärkeä kehittäjille, jotka ovat toistaiseksi luottaneet COM Expressiin. He saattavat myös miettiä, tarkoittaako COM-HPC:n tulo markkinoille COM Expressin loppua? Kuinka kauan COM Express on edelleen käytettävissä? Täytyykö siirtyä COM-HPC-kortteihin nyt vai voiko odottaa?

Lisäksi pitää miettiä, miten siirtyminen COM-HPC:een vaikuttaisi OEM-valmistajien ja asiakkaiden kilpailuasemaan. Näihin kysymyksiin vastaamiseksi on tärkeää tietää, mitä COM-HPC Client -moduulit tarjoavat ja miten ne eroavat COM Express Type 6 -moduuleista.

Basic ja A-koko: vain pieniä eroja

COM-HPC Client, kuten COM Express Type 6, on PICMG:n Computer-on-Module -määritys. Se on osa uutta COM-HPC-standardia. Tämä määrittelee myös COM-HPC Server -moduulit, mutta niitä ei tarvitse tarkastella tarkemmin tässä artikkelissa, koska ne ovat palvelimelle suuntautuneita ja käyttöliittymättömiä (headless), kun taas COM-HPC Client -moduulit, kuten COM Express Type 6 -moduulit, tukevat grafiikkaa.

Kuva 1: COM-HPC Client -liitännät eroavat COM Express Type 6:sta lähinnä PCIe-linjojen, Ethernet-liitäntöjen ja USB-porttien lukumäärän ja kaistanleveyden suhteen. Liitäntäerojen lisäksi COM-HPC Clientissa on laajennettu etähallinnan tuki (joka on vielä määrittelemättä).

COM-HPC Client -moduuleissa on kolme kokoa: 120 x 160 mm (koko C), 120  x 120 mm (koko B) ja 120 x 95 mm (koko A). Näin pienin COM-HPC-kortti on melkein identtinen COM Express Basicin kanssa (125 x 95 mm). COM Express Compact -kortti on 95 x 95 -mllisenä noin 21 prosenttia pienempi. Koska COM-HPC:n A-koko on vain 4 prosenttia pienempi kuin COM Express Basic, siirtyminen COM Express Basicista COM-HPC:n A-kokoon ei ole mikään ongelma.

Kuva 2: COM-HPC Client määrittelee kolme erilaista korttikokoa, aivan kuten COM Express. Pienin eli koko A on pienempi kuin COM Express Basic, joten kehittäjät voivat helposti vaihtaa COM Express Basicista COM-HPC:n A-korttiin.

Suuremmat B- ja C-kortit ovat kooltaan sellaisia, että nämä moduulit asennettaisiin tyypillisesti COM Express Type 6 -moduulien yläpuolelle ja niillä käsiteltäisiin siksi tehokkaita sovelluksia, joita ei voida toteuttaa COM Expressillä.

Kehittäjät, jotka käyttävät COM Express Basicia saadakseen käyttöönsä COM Express Compactia tehokkaampia prosessoreita, voivat valita COM-HPC:n A-kortin. COM Express Compactille ei kuitenkaan ole COM-HPC -vaihtoehtoa. Tämä osoittaa selvästi, että nämä kaksi standardia ovat toisiaan täydentäviä.

COM-HPC:ssä suurempi tehobudjetti

Suurempien kokojen lisäksi COM-HPC-moduulit mahdollistavat myös COM Expressiä suuremman virtabudjetin. Jopa 200 watin lämpösuunnitteluteholla (TDP) COM-HPC-moduulien suorituskyky voi olla noin kolminkertainen tehokkaimpaan COM Express Type 6 -korttiin verrattuna. COM Express Basicin 137 watin TDP-arvoon verrattuna COM-HPC:n lukema on 46 prosenttia korkeampi. Kehittäjille, jotka tarvitsevat enemmän TDP- ja prosessoritehoa, COM-HPC on välttämätön.

Kuva 3. Conga-HPC / cTLU COM-HPC A -moduuli (kuvassa takana) vaatii täysin uuden kantakortin. COM-HPC-evaluointikortin arvioidaan olevan saatavilla lokakuusta 2020 lähtien. Etualalla oleva conga-TC570 COM Express Compact -moduuli, jossa on Intelin Tiger Lake UP3 -prosessori, voidaan liittää ja asentaa olemassa oleviin COM Express -alustalevyihin riippumatta siitä, onko ne suunniteltu COM Express Basic- vai Compact-laitteille. Siksi ne ovat heti valmiita käyttöön.

COM-HPC-A-moduulien, kuten uuden 15 watin conga-HPC / cTLU 11. sukupolven Intel Core -prosessorilla varustetun kortin suorituskyky on verrattavissa aiempien COM Express -moduulien suorituskykyyn. Lisäksi COM Express -suunnittelijat huomaavat, että COM-HPC tarjoaa valtavasti enemmän datan kaistanleveyttä kuin COM Express Type 6, mikä käy ilmi signaalinastojen lukumäärästä.

Lähes kaksi kertaa enemmän nastoja, lisää kaistaa

Kaksi muuta keskeistä eroa COM Express Basic Type 6:n ja COM-HPC Client Client A:n välillä ovat liitin ja signaalinastojen määrä, jotka yhdistävät moduulin sovelluskohtaiseen kantakorttiin. COM Expressin tapaan COM-HPC perustuu kahteen liittimeen, mutta nyt jokaisessa COM HPC -liittimessä on 400 nastaa. Kummassakin COM Express -liittimessä on 220 nastaa. 800 signaalinastalla käytössä on 80 prosenttia enemmän liitäntöjä.

Uusimmille nopeille liitännöille suunniteltu COM-HPC-liitin on yhteensopiva myös PCIe 5.0:n ja 25 gigabitin Ethernetin korkeiden kellotaajuuksien kanssa. COM Express tukee tällä hetkellä vain PCIe Gen 3.0- ja PCIe 4.0-liitäntöjä yhteensopivuustilassa, mikä tekee liittimestä rajoittavan tekijän. COM Express -liitintä yritetään kuitenkin korvata sellaisella, joka on mekaanisesti täysin yhteensopiva, mutta sähköisesti tehokkaampi ja yhteensopiva PCIe 4.0:n kanssa. Tämä liittimen vaihto on hyvä COM Expressin tulevaisuuden kannalta.

Muistikapasiteetti riippuu kortin koosta

Sekä COM-HPC että COM Express käyttävät RAM-kapasiteettiin SO-DIMM-moduuleja tai juotettua muistia. Kuten aiemmin todettiin, COM Express Basic- ja COM-HPC Client A -kortit eroavat toisistaan vain vähän. COM Express Basicin RAM-muistin maksimikapasiteetti on 128 gigatavua, joten kun otetaan huomioon korttien samanlainen koko, COM-HPC-A:n RAM-kapasiteetti olisi samanlainen.

Enemmän muistia tarvitsevien kehittäjien on käytettävä suurempia kortteja. Vaikka COM Express määrittelee myös Basic-korttia suuremmat moduulit, ei niillä ole käytännössä merkitystä. Siksi odotetaan, että suurempia moduuleja kehitetään ensisijaisesti COM-HPC-standardin perusteella. Tämä tapahtuu todennäköisesti nopeasti, koska COM-HPC Server -moduulit vastaavat keskitason palvelinluokan ratkaisuihin, joissa ei koskaan ole tarpeeksi RAM-muistia. Niissä voi olla kahdeksan täysimittaista SO-DIMM-muistimoduulia ja siten RAM-kapasiteetti voi olla jopa yhden teratavun kokoinen.

Kun verrataan äskettäin julkaistuja Tiger Lake UP3 COM Express Type 6 Compact- ja COM-HPC Client A -moduuleja, jälkimmäinen tarjoaa enemmän muistia. Tätä lisämuistin potentiaalia ei kuitenkaan ole käytetty: molemmissa moduuleissa on kaksi SO-DIMM-liitäntää 32 gigatavun (3200 MT/s) DDR4-muisteille. Yhteensä siis 64 gigatavua RAM-muistia. Syy tähän maksimimuistin käyttämättömyyteen on yksinkertainen, sillä Tiger Lake UP3 ei voi tukea enempää. Käytännössä enemmän RAM-muistia tarvitsevan täytyy aina siirtyä suurempaan korttiin kuin COM Express Basic tai COM-HPC-A.Kun muistitiheys kuitenkin kasvaa jatkuvasti, RAM-kapasiteetista ei todennäköisesti tule rajoittavaa tekijä tulevaisuuden monikäyttöisissä sovelluksissa.

Sama grafiikka, uusi audio

Grafiikkatuki on sama molemmille standardeille. Sekä COM-HPC Client että COM Express Type 6 tukevat jopa neljää näyttöä kolmen digitaalisen näyttöliitännän (DDI) ja yhden sulautetun DisplayPortin (eDP) kautta. Multimedialiitännöissä COM-HPC korvaa COM Expressin HDA-liitännän SoundWire-liitännällä. Uusi MIPI-standardi SoundWire vaatii vain kaksi linjaa ja toimii jopa 12,288 MHz:n taajuudella. Näiden kahden linjan yli voidaan liittää rinnan jopa neljä audiokoodekkia, jolloin kukin koodekki saa oman ID-tunnuksensa arvioinnin mahdollistamiseksi. Tämä on hyvä etu sovelluksissa, joissa äänellä on tärkeä rooli.

PCIe- ja GbE-tuki

COM Express Type 6 -moduuleissa on enintään 24 PCIe-linjaa verrattuna COM-HPC Client -moduulien 49:een. Yksi COM-HPC Client PCIe -linja on varattu yhteydenpitoon kantakortin BMC-ohjaimen (Board Management Controllerin) kanssa.

COM-HPC-asiakasmoduulimäärittely tarjoaa myös suoran yhteyden kahteen 25 gigabitin KR- ja enintään kahteen 10 gigabitin BaseT Ethernet -liitäntään. COM Express Type 6 tukee enintään 1x1 gigabitin ethernet -liitäntää, mutta lisäverkkoliitännät voidaan yhdistää PCIe:n kautta ja suorittaa kantokortin kautta. Tätä standardin täyttä potentiaalia ei kuitenkaan ole käytetty nykyisessä 11. Intel Core -prosessorisukupolvessa.

Molemmat moduulit tarjoavat nelilinjaisen (x4) PCIe Gen 4 -liitännän erittäin suurille kaistanleveysyhteyksille oheislaitteisiin. Lisäksi kehittäjät voivat käyttää 8x PCIe Gen 3.0 x1 -liitäntää molempien moduulien kanssa. Tältä osin prosessorista johtuvia eroja ei ole. COM-HPC-moduulit tarjoavat kuitenkin 2x 2,5 gigabitin ethernetin natiiviliitäntää, kun taas COM Express -moduulit tukevat vain 1x GbE:tä natiivisti. Siksi COM Express -suunnittelijoiden on lisättävä suunnitteluunsa kantakorttikomponentteja, mikäli haluavat käyttöönsä samat ethernet-liitännät.

Molemmat moduulit tukevat myös TSN-yhteyksiä (Time Sensitive Networking) reaaliaikaiseen tiedonsiirtoon Ethernet-yhteyden kautta. Näin erot PCIe- ja GbE-yhteyksissä eivät ole kovin merkittäviä, mikäli 1,5 gigabitin ethernet jätetään laskuista.

Korkea USB-kaista ja natiivi tuki kameralle

Nopeammille uusille USB-standardeille suunniteltu COM-HPC Client tukee jopa neljää USB 4.0 -liitäntää, joita täydentää neljä USB 2.0 -liitäntää. Toisaalta COM Express Type 6 -moduulit tukevat jopa neljää USB 3.2- ja kahdeksaa USB 2.0 -liitäntää. COM HPS siis tuo käyttöön neljä USB 2.0 -porttia vähemmän kuin COM Express Type 6 -kortit, mutta COM-HPC Client tarjoaa kuitenkin suuremman kaistanleveyden, koska USB 4.0:n siirtonopeus on 40 gigabitti sekunnissa.

COM-HPC tukee natiivisti jopa kahta MIPI-CSI-rajapintaa. Kustannustehokkuuden lisäksi näiden kahden liitännän ansiosta sovelluksiin on helppo liittää kaksi kameraa ja mahdollistaa 3D-konenäkö. Mahdollisiin kahden MIPI-CSI-liitännän käyttötapauksiin sisältyvät käyttäjän tunnistus, eleiden hallinnan ja lisätty todellisuus järjestelmän ylläpidossa. Muita mahdollisuuksia ovat videovalvonta ja optinen laadunvarmistus, autonomisien ajoneuvojen tilannetietoisuus ja yhteistyörobotiikka ei cobotiikka. MIPI-CSI-liitännän tuki on siten selkeä COM-HPC-standardin vahvuus. Conga-HPC/cTLU tarjoaa nämä kaksi MIPI-CSI-rajapintaa. Lisäksi conga-HPC/cTLU sisältää - Tiger Lake UP3:ssa laajennetun x86-käskykannan kanssa - AI/DL-käskykannat, tuen VNNI-käskyille (Vector Neural Network Instructions) ja lisäksi tuen jopa 96 Intel Xe -näytönohjaimen laskentayksikölle (Gen 12).

COM-HPC tarjoaa lisäksi 2x SATA -rajapintoja perinteisten SSD- ja HDD-levyjen yhdistämiseksi sekä teollisia rajapintoja, kuten 2x UART ja 12x GPIO. 2x I2C, SPI ja eSPI täydentävät ominaisuusjoukkoa. Kaiken kaikkiaan COM-HPC Client -ominaisuudet ovat verrattavissa COM Express Type 6 -moduulien ominaisuuksiin, vaikka jälkimmäisten kanssa on saatavana CAN-väylän tukivaihtoehto.

COM-HPC tarjoaa lisäksi kaksi SATA-liitäntää SSD- ja HDD-levyjen liittämiseksi sekä teollisia rajapintoja, kuten kaksi UART- ja 12 GPIO -liitäntää. Kaksi I2C-, SPI- ja eSPI-liitännät täydentävät ominaisuusjoukkoa. Kaiken kaikkiaan COM-HPC Clientin minaisuudet ovat verrattavissa COM Express Type 6 -moduulien ominaisuuksiin, vaikka jälkimmäisiin saa optiona myös CAN-väylätuen.

Kokemus osoittaa: ei ole kiire vaihtaa korttia

Edellä kuvatut COM-HPC Client- ja COM Express Type 6 -laitteiden yhtäläisyydet ja erot osoittavat, että suurin osa suunnitteluista toimii hyvin COM Express -alustalla ainakin seuraavien 3-5 vuoden ajan. Toinen tekijä tässä ennusteessa on, että COM-HPC Client ei ota käyttöön uutta järjestelmäväylää. Tämä eroaa aikaisemmista muutoksista, kun siirryttiin ISA-väylästä PCI:een ja PCI:stä PCI Expressiin. Näissä oli ehdottoman välttämätöntä määrittää uusi nastoitus.

Kannattaa myös muistaa, että COM Express -moduulit eivät korvanneet ETX-moduuleja myydyimpinä moduuleina ennen vuotta 2012 eli runsaat 11 vuotta ETX:n käyttöönoton jälkeen ja seitsemän vuotta COM Expressin käyttöönoton jälkeen. Ja ETX-moduuleja ovat edelleen saatavilla. PCIe-sukupolvet ovat taaksepäin yhteensopivia, mikä antaa PCIe Gen 3.0 -suunnitteluille mahdollisuuden elää pitkään, vaikka PCIe Gen 4.0 on vakiintunut kaikissa prosessoriluokissa. Vaihtoa ei todellakaan tarvitse, jos suunnittelun liitäntämääritykset ja kaistanleveydet ovat riittävät.

Kenen pitäisi valita COM-HPC?

COM-HCP:een on vaihdettava sellaisissa suunnitteluissa, joissa haluaa hyödyntää joitakin näistä tekniikoista: täysi USB 4.0 -kaistanleveys, 2,5 gigabitin ethernet, SoundWire ja MIPI-CSI-liitäntä. Myös niiden, jotka odottavat tarvitsevansa tulevaisuudessa enemmän tai korkeamman suorituskyvyn PCIe- tai Ethernet-rajapintoja, joiden nopeus on enintään 25 GbE, tulisi valita COM-HPC seuraavan suunnittelunsa pohjaksi. Suorituskykyisten järjestelmien kehittäjät kannattaa miettiä sitäkin, että suunnittelun skaalaaminen alaspäin on helpompaa, kun käytössä on vain yksi korttistandardi.

Kaikissa muissa tapauksissa toimivaa järjestelmää ei pitäisi koskaan vaihtaa. Ja kannattaa muistaa, että COM Expressiin ollaan tuomassa upouutta, PCIe 4.0 -yhteensopivaa liitintä.

Reunapalvelinmoduulien etähallinta on tulossa

Osana COM-HPC-lanseerausta suunnitellaan myös laajennettu etähallintaliitäntä. Tätä rajapintaa kehitetään parhaillaan PICMG:n etähallinnan alakomiteassa (Remote Management Subcommittee). Tavoitteena on, että pieni osa monimutkaisesta älykkään alustan hallintaliittymän (IPMI) ominaisuuksista on käytettävissä reunapalvelinmoduulien etähallintaan. Näiden uusien ominaisuuksien avulla OEM-valmistajat ja käyttäjät voivat helposti varmistaa palvelintason luotettavuuden, käytettävyyden, ylläpidettävyyden ja suojauksen (RAMS). Kantakortille integroitava kortinhallintaohjain mahdollistaa etähallinnan laajentamisen yksittäiselle kantakortille ja lisätä järjestelmävaatimuksia tarpeen mukaan. Tämä tarjoaa laitevalmistajille yhdenmukaisen perustan etähallinnalle, jota he voivat muokata vaatimustensa mukaan.

Johtopäätös

COM Expressillä on suuri tulevaisuus nykyisellä suorituskyvyn tasolla digitalisaation kasvaessa. COM-HPC:llä (High Performance Computing) voi toteuttaa laajan valikoiman tulevia laskentaintensiivisiä sovelluksia, joissa kaistanleveyttä vaativat datavirrat on prosessoitava pienikokoisella edge-laitteella. Lisätietoja congatecin 11. sukupolven Intel Core -prosessoripohjaisista sulautetuista tietokoneista löytyy osoitteesta https://congatec.com/11th-gen-intel-core/.