Comprendre la norme COM-HPC pour les conceptions de systèmes modulaires

L'industrie de l'informatique embarquée est sur le point de lancer COM-HPC en tant que norme de nouvelle génération pour les conceptions de systèmes modulaires. Comme COM-HPC est complexe et parfois mal compris, des informations claires sont nécessaires.

Certains voient la norme COM-HPC du PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) comme une plate-forme entièrement nouvelle abordant des applications entièrement nouvelles. Le camp de serveurs de périphérie embarqués, qui doit gérer des charges de travail massives dans des environnements difficiles, le pense. Le deuxième camp sont les utilisateurs COM Express existants. Ils s'intéressent moins aux modules serveur et se soucient plutôt des modules clients de la nouvelle norme COM-HPC. Ils sont un peu plus sceptiques à propos de COM-HPC. Ils veulent protéger les investissements COM Express existants, en se demandant :combien de temps COM Express sera-t-il disponible et dois-je passer à COM-HPC maintenant ? Quels sont les avantages pour mes clients ? Pour eux, il est très important de savoir quels sont les avantages offerts par les modules clients COM-HPC et en quoi ils diffèrent de COM Express. COM-HPC s'adresse donc à deux groupes cibles distincts, chacun ayant des besoins différents. Quel est donc le potentiel des deux nouvelles sous-spécifications et en quoi diffèrent-elles ?

Plateforme standard ouverte pour serveurs embarqués

Un bref historique des normes de haute performance
Computer-on-Module

Année Détails 2001Fondation de l'ETX-IG et lancement du premier standard de module indépendant du fabricant2005PICMG publie la spécification COM Express 1.02010Spécification COM Express 2.02012Les ventes de modules COM Express dépassent celles de la spécification ETX2012COM Express 2.12018Fondation du comité PICMG COM-HPC2019Lancement du brochage COM-HPC2020Lancement du Spécification COM-HPC

Des normes ouvertes et indépendantes des fabricants d'ordinateurs sur module garantissent que les applications ont un cycle de vie de plusieurs décennies. Les OEM peuvent toujours acheter de nouveaux modules ETX aujourd'hui, malgré le fait que ce facteur de forme est basé uniquement sur les bus existants. Grâce à la rétrocompatibilité, les normes basées sur PCIe seront encore plus longues.

COM-HPC Server est le premier standard véritablement ouvert pour le développement de conceptions modulaires de serveurs rack et de serveurs box intégrés pour les environnements difficiles. Dans le monde des serveurs classiques d'aujourd'hui, les modules de processeur prêts pour les applications sont encore rarement exploités, bien que cette approche offre de nombreux avantages. Par exemple, cela permet de réaliser très facilement des exigences de taille et d'E/S spécifiques :les développeurs n'ont qu'à concevoir la carte porteuse spécifique à l'application appropriée; les composants de base complexes tels que le processeur, la RAM et les interfaces haute vitesse peuvent être achetés dans un module standardisé.

Étant donné que la conception de cartes porteuses nécessite moins d'efforts que la conception entièrement personnalisée, cette approche peut également être appliquée efficacement à des séries de produits plus petites, où les produits standard étaient auparavant souvent un compromis insatisfaisant mais inévitable. De plus, le concept modulaire réduit également considérablement le coût des mises à niveau des performances. Par rapport au remplacement complet d'un système de rack 1U ou 3U, une conception de serveur modulaire peut réduire le coût d'une mise à niveau d'environ 50 % car seul le module est remplacé. Cette approche améliore donc la pérennité de l'investissement ainsi que la disponibilité à long terme et le ROI des solutions, car elles peuvent être utilisées plus longtemps.

Plus d'unités de calcul dans une seule norme

Outre les avantages génériques d'un concept modulaire, COM-HPC Server offre également quelques améliorations techniques qui n'étaient pas disponibles auparavant dans les modules sous cette forme. Par exemple, la norme COM-HPC n'est pas limitée aux processeurs x86 mais prévoit explicitement l'utilisation de processeurs RISC, de FPGA et d'unités de traitement graphique à usage général (GPGPU). Les premiers échantillons avec de telles unités de calcul alternatives ont été présentés sur le stand PICMG pendant Embedded World.

Ainsi, pour la première fois, il est devenu possible de développer et de mettre en œuvre des conceptions de serveurs hétérogènes avec une large gamme d'unités de calcul et d'accélérateur au sein d'une seule spécification officielle et d'un écosystème standardisé. Pour faciliter cela, la nouvelle spécification prend également en charge les modes esclaves pour les modules pour la première fois. Les OEM bénéficient non seulement d'une conception simplifiée et plus efficace, mais peuvent également réutiliser leur savoir-faire plus efficacement.

Plus d'espace pour plus de performances

Les modules COM-HPC Server visent à fournir aux applications de serveur de périphérie et de brouillard la puissance de calcul haute performance requise par les nouveaux processeurs de serveur de périphérie embarqués que les fabricants de semi-conducteurs devraient lancer très prochainement. Le budget de puissance maximum spécifié de 300 watts pour les modules COM-HPC Server donne une indication des performances à attendre, au moins à moyen terme. À titre de comparaison :le serveur sur module COM Express Type 7 le plus puissant permet aujourd'hui un maximum de 100 watts. Faites évoluer cela, en tenant compte du saut de performance prévu, et il est facile de voir que COM-HPC sera en mesure de couvrir d'immenses charges de serveur à l'avenir.

À côté de ce potentiel de hautes performances, il est important de savoir combien d'espace les modules offrent aux processeurs ou aux unités de calcul alternatives. Cela devient clair lorsque l'on regarde les processeurs hautes performances actuels d'Intel et d'AMD avec 16 cœurs ou plus ou les puissants FPGA, qui peuvent être de la taille d'une paume. Pour eux, le serveur COM-HPC propose des empreintes de module de 200 mm x 160 mm (taille E) ou 160 mm x 160 mm (taille D) comme illustré à la figure 1. Ces empreintes comparativement grandes simplifient également la dissipation thermique, offrant de l'espace pour de plus grands dissipateurs de chaleur qui peuvent répartir les déchets de chaleur plus efficacement.

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Figure 1 :le serveur COM-HPC spécifie deux empreintes différentes :la taille E avec un espace pour jusqu'à 8 sockets DIMM pour actuellement 1 téraoctet de RAM, et l'empreinte de taille D 20 % plus petite pour 4 sockets DIMM. Alors que COM-HPC Server et Client utilisent les mêmes connecteurs avec 2x 400 broches, ils sont positionnés à des distances différentes les uns des autres. Cela évite les dommages dus au montage accidentel du mauvais type de module (Source :congatec).

Plus de performances de mémoire

Avec ces grandes empreintes, les modules COM-HPC Server offrent également plus de performances de mémoire. Ils disposent de suffisamment d'espace pour des modules de mémoire DIMM complets qui répondent aux exigences de bande passante et de taille de mémoire élevées des serveurs micro, Edge et Fog. Dans l'empreinte de taille E, ils peuvent héberger jusqu'à 8 sockets DIMM pour actuellement jusqu'à 1,0 téraoctet de mémoire. Dans l'empreinte de taille D, ils peuvent héberger un maximum de 4 sockets DIMM pour actuellement jusqu'à 512 gigaoctets de mémoire.

Plus de performances d'E/S

Pour la connexion à la carte opérateur, le serveur COM-HPC définit 8x 25 GbE, ainsi que 65 voies PCIe pour PCI Express Gen 4.0 et Gen 5.0 (Figure 2). L'une de ces voies est réservée à la communication avec un contrôleur de gestion de carte (BMC) en option sur la carte porteuse, tandis que les 64 voies PCIe restantes peuvent être utilisées pour connecter des périphériques.

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Figure 2 : les principales caractéristiques des modules de serveur COM-HPC :un nombre extraordinairement élevé d'interfaces à haut débit, une bande passante réseau exceptionnelle et des performances de serveur sans tête (Source :congatec).

Le serveur COM-HPC offre donc une connectivité extrêmement large et puissante, par exemple pour connecter des accélérateurs de calcul supplémentaires tels que GPGPU, FPGAS et ASICS - par exemple sous la forme de modules COM-HPC correspondants - ou des supports de stockage basés sur NVMe. Au total, les conceptions de serveurs COM-HPC bénéficient de performances d'E/S allant jusqu'à 256 gigaoctets/s via PCIe. 2 x 40 Gigabit/s supplémentaires peuvent être ajoutés via les deux interfaces USB 4.0 sur les versions Thunderbolt 3.0, ainsi que 2 x 20 Gigabit/s via les deux interfaces USB 3.2 spécifiées. Quatre interfaces USB 2.0 supplémentaires complètent l'offre USB sur les modules COM-HPC Server. Outre 2x SATA natifs, ils prennent également en charge eSPI, 2xSPI, SMB, 2x I2C, 2xUART et 12 GPIO pour intégrer des périphériques simples et des interfaces de communication standard, par exemple à des fins de service. Un port Ethernet 10 Gb supplémentaire fournit un canal de communication dédié qui peut être utilisé pour la gestion à distance et hors bande.

Gestion optimisée des cartes de niveau serveur

Une autre première industrie introduite par COM-HPC est une interface de gestion de système dédiée. Cette interface est actuellement en cours de développement au sein du sous-comité de gestion à distance du PICMG. L'objectif est de rendre disponibles certaines parties de l'ensemble de fonctionnalités spécifiées dans l'interface de gestion de plate-forme intelligente (IPMI) pour la gestion de module de serveur de périphérie à distance. Similaire à la fonction esclave, COM-HPC fournira donc également des fonctions de communication étendues pour la gestion à distance. Grâce à cette fonctionnalité, les OEM et les utilisateurs pourront garantir la fiabilité, la disponibilité, la maintenabilité et la sécurité (RAMS), un ensemble commun d'exigences pour les serveurs. Pour les besoins individuels, cette fonction peut être étendue via le contrôleur de gestion de carte en option sur la carte porteuse. Cela fournit aux OEM une base uniforme pour la gestion à distance qui peut être adaptée à des exigences spécifiques.

Client COM-HPC – plus gros, plus rapide, plus

Alors que la spécification du serveur COM-HPC se concentre sur des conceptions de serveurs de périphérie embarqués entièrement nouvelles, il existe bien sûr également les systèmes embarqués «classiques» hautes performances, qui exploitaient jusqu'à présent COM Express Type 6. Les OEM se demandent si COM-HPC rendra leurs conceptions COM Express existantes obsolètes, quel serait le meilleur moment pour passer à COM-HPC et quels avantages COM-HPC a pour eux et leurs clients. Pour répondre à ces questions, il est important de savoir en détail quelles fonctions proposent les modules COM-HPC Client et de les comparer avec les fonctions COM Express.

Trois tailles

À bien des égards, les deux normes ont plus de similitudes que de différences. Comme COM Express, COM-HPC Client spécifie trois tailles de module :120 mm x 160 mm (taille C), 120 mm x 120 mm (taille B) et 120 mm x 95 mm (taille A). Cela signifie que la plus petite empreinte du client COM-HPC est pratiquement identique à celle de COM Express Basic, qui mesure 125 mm x 95 mm. Cela seul montre que le client COM-HPC se situe au-dessus de COM Express, adressant des applications qui ne peuvent pas être atteintes avec COM Express. (Figure 3).

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Figure 3 :COM Express et COM-HPC Client définissent tous deux trois empreintes différentes. Cependant, avec le plus petit COM-HPC Size A presque identique à COM Express Basic, il est immédiatement évident que COM-HPC est positionné au-dessus de COM Express (Source :congatec).

Plus de puissance

Cela se reflète également dans le budget de puissance pris en charge de 200 watts, soit environ trois fois plus que les modules COM Express Type 6 les plus puissants d'aujourd'hui. En ce qui concerne la mémoire, alors que COM-HPC Client et COM Express utilisent tous deux des SODIMMS ou de la mémoire soudée, COM-HPC peut accueillir plus de mémoire avec jusqu'à 4 sockets SODIMM. Cependant, COM Express étant déjà capable de prendre en charge 96 Go aujourd'hui, il répond également à des exigences de mémoire élevées.

Des interfaces plus nombreuses et plus rapides

Du point de vue de la disposition, la différence la plus importante entre les modules COM Express et COM-HPC concerne le connecteur et le nombre de broches de signal connectant le module à la carte porteuse spécifique à l'application, comme le montre la figure 4.

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Figure 4 :Les interfaces COM-HPC Client et COM Express Type 6 diffèrent principalement par le nombre de voies PCIe et la bande passante, les interfaces Ethernet et les ports USB, et la prise en charge étendue de la gestion à distance encore à préciser ( Source :congatec).

COM-HPC exploite un nouveau connecteur conçu pour les dernières interfaces haute vitesse et déjà spécifié pour les fréquences d'horloge élevées de PCIe 5.0 et 25 Gb/s. COM Express prend en charge PCIe Gen 3.0 et PCIe 4.0 en mode de compatibilité. Mais bien sûr, les processeurs embarqués avec PCIe Gen 4.0 doivent d'abord devenir disponibles. Comme COM Express, COM-HPC prend en charge deux connecteurs, mais avec 400 broches chacun. Ainsi, avec 800 broches de signal au total, COM-HPC a presque deux fois plus de broches que les modules COM Express Type 6 avec 440 broches. Inutile de dire que cela offre également de l'espace pour de nombreuses autres interfaces.

Les modules client COM-HPC les utilisent pour 49 voies PCIe vers la carte porteuse, dont l'une est à nouveau destinée à la communication avec le BMC de la carte porteuse. C'est deux fois plus de voies que COM Express Type 6 fournit avec un maximum de 24 voies. Deux interfaces Ethernet KR 25 GbE et jusqu'à deux interfaces BaseT 10 Gb sont également fournies directement sur le module. COM Express Type 6 prend en charge 1x 1 GbE, avec la possibilité d'implémenter d'autres interfaces réseau via la carte porteuse.

graphiques 4x

Le support graphique est identique dans les deux standards; en même temps, c'est ce qui distingue ces modules des modules sans tête COM Express Server-on-Modules et COM-HPC Server. Les deux normes prennent en charge jusqu'à quatre écrans via trois interfaces d'affichage numérique (DDI) et 1x DisplayPort intégré (eDP). En termes d'interfaces multimédia, COM-HPC utilise SoundWire à la place de l'interface HDA spécifiée pour COM Express. SoundWire est une nouvelle norme MIPI qui ne nécessite que deux voies :horloge et données, avec une fréquence d'horloge allant jusqu'à 12,288 MHz. Jusqu'à 4 codecs audio peuvent être connectés en parallèle sur ces deux voies, chaque codec recevant son propre identifiant pour analyse.

Plus de bande passante USB plus MIPI-CSI

Conçu pour l'avenir également en termes de normes USB prises en charge, COM-HPC spécifie quatre interfaces USB 4.0, complétées par 4x USB 2.0. Bien que cela signifie que les modules clients COM-HPC offrent quatre ports USB de moins que les modules COM Express Type 6, qui exécutent jusqu'à 4x USB 3.1 et 8x USB 2.0, cela est compensé par plus de bande passante, puisque l'USB 4.0 est conçu pour des taux de transfert allant jusqu'à à 40 Gbit/s. Une autre caractéristique intéressante des modules client COM-HPC est qu'ils fournissent deux interfaces MIPI-CSI, permettant des connexions de caméra économiques pour la connaissance de la situation et la robotique collaborative.

Le client COM-HPC offre en outre 2x interfaces SATA pour connecter des SSD et des disques durs traditionnels, qui sont aujourd'hui presque des périphériques hérités, ainsi que des interfaces industrielles telles que 2x UART et 12x GPIO. 2x I2C, SPI et eSPI complètent l'ensemble de fonctionnalités. Toutes ces fonctionnalités sont comparables aux modules COM Express Type 6, qui, contrairement à COM-HPC, offrent un bus CAN en option via le connecteur en tant que caractéristique unique.

A en juger par les différences, les OEM avec des conceptions basées sur COM Express peuvent être assurés qu'ils seront bien servis avec COM Express pendant de nombreuses années à venir. C'est aussi parce que COM-HPC n'introduit pas de nouveau bus système, contrairement aux commutateurs ISA vers PCI et PCI vers PCI Express. Il convient également de rappeler que les modules COM Express n'ont remplacé ETX en tant que modules les plus vendus qu'en 2012, soit 11 bonnes années après l'introduction d'ETX. Et les modules ETX sont toujours vendus aujourd'hui. Étant donné que les générations PCIe sont rétrocompatibles avec leurs prédécesseurs, les conceptions avec PCIe Gen 3.0 resteront en service pendant longtemps, même après l'introduction de PCIe Gen 4.0 à tous les niveaux de processeur. Donc, tant que la spécification d'interface donnée est adéquate, il n'y a absolument aucun besoin de changer.

Cependant, si vous avez besoin de plus de 32 voies PCIe, ou si vous avez besoin de PCIe 4.0 en pleine bande passante, d'USB 4.0 plusieurs Ethernet 25 Gbit/s et/ou de fonctionnalités avancées de gestion à distance, cela vaut la peine de changer. Sinon, respectez la devise « ne jamais changer un système en cours d'exécution ».