COM-HPC : la norme ouverte de nouvelle génération pour systèmes embarqués modulaires

L'informatique embarquée s'apprête à adopter COM-HPC, la norme ouverte de nouvelle génération pour les conceptions de systèmes modulaires. Comme son architecture est complexe et souvent mal comprise, des conseils clairs sont essentiels.

Les parties prenantes voient COM-HPC sous deux angles. La communauté des serveurs embarqués Edge le considère comme une plateforme pour charges de travail haute performance et robustes, tandis que les utilisateurs existants de COM Express se concentrent sur les modules client et leur évolution. Ils se demandent s'il faut transitionner maintenant et quels bénéfices tangibles la nouvelle norme apporte.

Plateforme de norme ouverte pour serveurs embarqués

Brève histoire des normes
Computer-on-Module haute performance

Année Détails

2001 Fondation de l'ETX-IG et lancement de la première norme de module indépendante des fabricants

2005 PICMG publie la spécification COM Express 1.0

2010 Spécification COM Express 2.0

2012 Les ventes de modules COM Express dépassent celles d'ETX

2012 Spécification COM Express 2.1

2018 Fondation du comité PICMG COM-HPC

2019 Publication du pinout COM-HPC

2020 Lancement de la spécification COM-HPC

Parce que les normes Computer-on-Module (CoM) sont ouvertes et agnostiques aux fournisseurs, les produits construits sur elles bénéficient de cycles de vie multi-décennaux. Les OEM peuvent encore commander des modules ETX hérités aujourd'hui, et les standards basés PCIe promettent une pertinence encore plus longue grâce à la rétrocompatibilité.

COM-HPC Server est la première norme véritablement ouverte pour les conceptions modulaires de serveurs rack et box embarqués dans des environnements difficiles. Dans le paysage classique des serveurs d'aujourd'hui, les modules processeurs prêts à l'application sont encore rarement exploités, pourtant ils débloquent des avantages significatifs.

En fournissant processeurs, mémoire et interfaces haute vitesse dans un seul module standardisé, les concepteurs peuvent se concentrer sur l'adaptation de la carte porteuse aux exigences précises de taille et d'E/S. Cette approche rationalise le temps de conception, permet un time-to-market rapide et réduit les coûts de production — particulièrement pour les petits lots où une conception entièrement personnalisée serait prohibitive.

Puisque seul le module est remplacé lors d'une mise à niveau, le coût peut être réduit d'environ 50 % par rapport au remplacement complet d'un système rack 1U ou 3U. Le résultat est un investissement plus durable et un retour sur investissement étendu sur le cycle de vie du produit.

Au-delà des avantages génériques, COM-HPC Server introduit des raffinements techniques auparavant indisponibles dans ce facteur de forme. La spécification n'est pas limitée aux CPU x86 ; elle prend explicitement en charge les processeurs RISC, FPGA et GPGPU. Les premiers échantillons dotés de ces unités de calcul alternatives ont été présentés à Embedded World 2023.

Pour la première fois, les OEM peuvent concevoir des architectures de serveur hétérogènes combinant plusieurs types de calcul et d'accélérateurs au sein d'un seul écosystème officiellement spécifié. La spécification définit également un mode esclave pour les modules, offrant aux concepteurs encore plus de flexibilité pour intégrer des composants hérités.

Les modules COM-HPC Server ciblent les serveurs edge et fog qui exigent la puissance de calcul haute performance des processeurs à venir. Avec un budget de puissance maximal de 300 W, la norme promet des niveaux de performance bien au-delà des modules COM Express Type 7 limités à 100 W aujourd'hui. Combinée aux sauts de performance attendus des CPU de nouvelle génération, COM-HPC est prête à gérer d'énormes charges serveur.

Les grandes empreintes simplifient le refroidissement et permettent l'utilisation de CPU ou FPGA puissants. COM-HPC Server offre deux empreintes : Taille E (200 mm × 160 mm) avec jusqu'à huit sockets DIMM pour 1 To de RAM, et Taille D (160 mm × 160 mm) avec quatre sockets DIMM pour 512 Go. La figure ci-dessous illustre les deux tailles.

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Figure 1 : COM-HPC Server spécifie deux empreintes — Taille E avec jusqu'à huit sockets DIMM pour 1 To de mémoire, et Taille D avec quatre sockets pour 512 Go. La disposition des connecteurs diffère pour éviter tout montage accidentel incorrect (Source : congatec).

Les empreintes élargies permettent des modules DIMM complets, délivrant la bande passante et la capacité requises pour les micro-, edge et fog serveurs. La Taille E supporte jusqu'à 8 DIMM (≈ 1 To), tandis que la Taille D supporte jusqu'à 4 DIMM (≈ 512 Go).

COM-HPC Server définit 8 ports 25 GbE et 65 lignes PCIe (Gen 4.0/5.0). Une ligne est réservée pour le contrôleur de gestion de carte optionnel ; les 64 lignes restantes alimentent les périphériques, permettant un débit E/S jusqu'à 256 Go/s.

Avec sa matrice E/S extensive, COM-HPC Server peut héberger des accélérateurs — GPGPU, FPGA, ASIC — ainsi que du stockage NVMe. Deux ports USB 4.0 (40 Gb/s) sur l'interface Thunderbolt 3.0 et deux ports USB 3.2 (20 Gb/s) complètent les lignes PCIe, tandis que des interfaces USB 2.0, SATA, eSPI, SPI, SMB, I²C, UART et GPIO supplémentaires complètent l'ensemble. Un port 10 GbE dédié supporte la gestion à distance.

COM-HPC introduit une interface de gestion système dédiée, en développement par le sous-comité de gestion à distance PICMG. Elle apporte des fonctionnalités dérivées d'IPMI pour la gestion à distance de modules serveurs edge, incluant la fiabilité, la disponibilité, la maintenabilité et la sécurité (RAMS). Les OEM peuvent étendre les fonctionnalités via un contrôleur de gestion de carte optionnel sur la carte porteuse.

COM-HPC Client – Plus grand, plus rapide, plus

Alors que COM-HPC Server cible les nouveaux designs de serveurs edge embarqués, les systèmes embarqués haute performance « classiques » — historiquement basés sur COM Express Type 6 — dominent encore de nombreux marchés. Les OEM se demandent naturellement si COM-HPC rendra leurs designs existants obsolètes, quand basculer, et quels bénéfices ils peuvent attendre pour les clients.

Trois tailles

Les deux normes définissent trois tailles de module. COM-HPC Client utilise 120 mm × 160 mm (Taille C), 120 mm × 120 mm (Taille B), et 120 mm × 95 mm (Taille A). La plus petite empreinte est presque identique à COM Express Basic (125 mm × 95 mm), démontrant que COM-HPC se positionne au-dessus de COM Express et cible des applications au-delà de sa portée.

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Figure 3 : COM Express et COM-HPC Client partagent trois empreintes ; la plus petite COM-HPC Taille A est virtuellement identique à COM Express Basic, illustrant le positionnement supérieur de COM-HPC (Source : congatec).

Plus de puissance

La spécification permet un budget de puissance de 200 W — environ trois fois la limite des modules COM Express Type 6 les plus puissants d'aujourd'hui. Les deux standards supportent la mémoire SODIMM ou soudée ; COM-HPC Client peut héberger jusqu'à quatre sockets SODIMM, permettant des capacités mémoire plus grandes tandis que COM Express supporte déjà jusqu'à 96 Go.

Plus et plus rapides interfaces

La différence clé entre les deux normes réside dans le connecteur et le nombre de broches. COM-HPC Client introduit un connecteur 400 broches (deux connecteurs pour un total de 800 broches), près du double des 440 broches de COM Express Type 6. Ce nombre de broches supplémentaire accommode plus de lignes PCIe, Ethernet plus rapide et ports USB additionnels.

COM-HPC Client offre 49 lignes PCIe vers la carte porteuse — le double des 24 lignes disponibles dans COM Express Type 6 — tandis qu'une ligne reste dédiée au contrôleur de gestion de carte. Deux ports Ethernet 25 GbE KR et jusqu'à deux ports 10 Gb Base-T sont intégrés directement sur le module. En contraste, COM Express Type 6 fournit un seul port 1 GbE avec interfaces additionnelles optionnelles sur la carte porteuse.

Graphiques et Audio

Les deux normes supportent jusqu'à quatre affichages via trois ports DDI et un DisplayPort embarqué. COM-HPC remplace l'interface audio HDA par SoundWire, un standard basé MIPI qui ne nécessite que deux lignes (horloge et données) et supporte jusqu'à quatre codecs audio.

Bande passante USB et MIPI-CSI

COM-HPC Client fournit quatre ports USB 4.0 (40 Gb/s) et quatre ports USB 2.0, offrant une bande passante agrégée supérieure aux 4 × USB 3.1 et 8 × USB 2.0 de COM Express Type 6. Il ajoute aussi deux interfaces MIPI-CSI pour la connectivité caméra à faible coût, utile pour la conscience situationnelle et la robotique collaborative.

Les autres interfaces reflètent COM Express : deux ports SATA, 2 × UART, 12 × GPIO, 2 × I²C, 2 × SPI, et eSPI. COM Express inclut un bus CAN optionnel sur le connecteur, une fonctionnalité absente dans COM-HPC.

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Figure 4 : Les interfaces COM-HPC Client et COM Express Type 6 diffèrent principalement par le nombre de lignes PCIe, ports Ethernet, ports USB, et le support de gestion à distance pas encore spécifié (Source : congatec).

Les OEM utilisant COM Express peuvent être rassurés que la norme restera viable pendant de nombreuses années. Les générations PCIe sont rétrocompatibles, et les designs basés sur Gen 3.0 resteront maintenables bien après l'arrivée de Gen 4.0. Si vos spécifications d'interface actuelles répondent à vos besoins, il n'y a pas d'urgence à migrer.

Si vos applications exigent plus de 32 lignes PCIe, du PCIe 4.0 à pleine bande passante, plusieurs ports Ethernet 25 Gb/s, ou des fonctionnalités avancées de gestion à distance, COM-HPC est le choix logique. Sinon, l'adage « ne changez pas un système qui tourne » reste valable.