COM-HPC: что нужно знать разработчикам и пользователям

Опубликовано в номере:
PDF версия
В качестве стандарта следующего поколения для проектирования модульных систем индустрия встраиваемых компьютерных решений собирается утвердить COM-HPC. Поскольку COM-HPC сложен и его иногда неправильно понимают, существует необходимость в предоставлении более полной и четкой информации по этому стандарту.

Последний стандарт для компью­теров-на-модулях COM-HPC, который предложен консорциумом PICMG и скоро должен быть официально принят, некоторые считают инновационной платформой, предназначенной для совершенно новых приложений [1]. Так думают разработчики, нацеленные на встраиваемые пограничные серверы, предусмотренные для управления большим числом рабочих нагрузок в жестких условиях эксплуатации. Другие — а это действующие пользователи COM Express — меньше интересуются серверными модулями и больше заботятся о клиентских модулях нового стандарта COM-HPC, к которому настроены несколько скептически. Причина кроется в том, что они хотят защитить существующие инвестиции в COM Express и потому задаются вопросом: как долго будет доступен COM Express и нужно ли прямо сейчас переходить на COM-HPC?

Каковы же преимущества для клиентов компании congatec и всех других изготовителей компьютеров-на-модулях при переходе на COM-HPC? Прежде всего, для них крайне важно знать, какие преимущества предлагают клиентские и серверные модули COM-HPC (Client и Server соответственно) и чем они отличаются от уже хорошо зарекомендовавшего и привычного COM Express. COM-HPC — это самый последний стандарт для компьютеров-на-модулях от PICMG (табл. 1), который скоро должен быть официально ратифицирован. Как следует из самого названия, COM-HPC нацелен на создание высокопроизводительных встраиваемых компьютеров (отсюда и HPC — High Performance Computing, высокопроизводительные вычислительные системы), а его предусматриваемая в рамках нового стандарта производительность превосходит мировой стандарт COM Express. COM-HPC обращается к двум отдельным целевым группам, каждая из которых имеет свои потребности. Итак, ответим на волнующий их вопрос: какой потенциал имеют его две новые субспецификации Client и Server и чем они различаются?

Таблица 1. Краткая история высокопроизводительных стандартов COM (Computer-on-Module, компьютер-на-модуле)
Год Событие
2001 Основание ETX-IG (ETX Industrial Group) и принятие первого независимого от производителя стандарта компьютерных модулей
2005 Консорциум PICMG (PC Industrial Computer Manufacturers Group) публикует спецификацию COM Express 1.0
2010 Спецификация COM Express 2.0
2012 Продажи модулей COM Express превышают продажи материнских плат форм-фактора ETX
2012 Спецификация COM Express 2.1
2018 Основание комитета PICMG COM-HPC
2019 Выпуск распиновки COM-HPC
2020 Принятие спецификации COM-HPC

 

Открытая стандартная платформа для встраиваемых серверов

COM-HPC Server — первый действительно открытый стандарт для разработки модульных встраиваемых стоечных и коробочных серверов, предназначенных для функционирования в жестких условиях окружающей среды. В современном классическом серверном мире готовые к применению процессорные модули все еще используются редко, хотя этот подход дает много преимуществ. Например, он позволяет очень легко реализовать конкретные требования к размеру и портам ввода/вывода (I/O). Здесь разработчикам нужно лишь спроектировать соответствующую плату носителя для конкретного приложения, а сложные базовые компоненты, такие как процессор, оперативная память и высокоскоростные интерфейсы, можно приобрести в стандартном модуле. Поскольку дизайн несущей платы требует меньше усилий, чем полностью индивидуальный дизайн конечного, тем более серверного решения, этот подход может быть эффективно применен и к небольшим партиям изделий, выполненных по индивидуальным заказам, где стандартные продукты ранее часто были неудовлетворительным, но неизбежным компромиссом. Более того, модульная концепция также значительно снижает стоимость обновления и увеличения производительности. По сравнению с полной заменой стоечной системы форм-фактора 1U или 3U, модульная конструкция сервера может снизить стоимость обновления примерно на 50%, поскольку заменяется только модуль. Следовательно, такой подход повышает отдачу от инвестиций и предлагает долговременную доступность и высокую рентабельность решений, ведь они могут использоваться дольше.

 

Больше компьютерных единиц в одном стандарте

Помимо общих преимуществ модульной концепции, COM-HPC Server несет некоторые технические усовершенствования, которые ранее не были доступны в модулях в этой форме. Например, стандарт COM-HPC не ограничивается процессорами x86 и предусматривает использование RISC-процессоров, FPGA (Feld Programmable Gate Array — программируемая логическая интегральная схема) и GPGU (General-Purpose Graphics Processing Unit — графический процессор общего назначения). Это добавляет новые перспективы модульности и возможности. Для того чтобы удовлетворить требования серверных приложений, модули, выполненные по этому стандарту, также предлагают режимы типа «ведущий-ведомый» и удаленное управление. Используя набор команд столь мощного стандарта, как IPMI, это делает встраиваемую серверную технологию доступной и для устройств типа сервер-на-модуле (Server-on-Module). Первые образцы с такими альтернативными вычислительными устройствами были показаны на стенде PICMG во время международной выставки Embedded World. Таким образом, впервые стало возможным разрабатывать и внедрять гетерогенные серверные конструкции с широким спектром вычислительных и ускорительных блоков в рамках единой официальной спецификации и стандартизированной экосистемы. Чтобы облегчить эту задачу, новая спецификация впервые поддерживает ведомые режимы для модулей. OEM-производители получают выгоду не только от упрощенного и более эффективного проектирования, но и могут более эффективно использовать свои ноу-хау.

 

Больше места для большей производительности

Серверные модули COM-HPC Server нацелены на то, чтобы предоставить приложениям пограничного и туманного сервера высокую вычислительную мощность, необходимую для новых процессоров встроенных пограничных серверов, которые, как ожидается, производители полупроводников запустят уже в самое ближайшее время. Максимальная мощность в 300 Вт для модулей COM-HPC-сервера дает представление о потенциальной производительности, по крайней мере в среднесрочной перспективе. Для сравнения: самый мощный сервер COM Express типа 7 сегодня обеспечивает максимальную мощность 100 Вт. Оцените это, принимая во внимание прогнозируемый скачок производительности, и вы легко увидите, что COM-HPC сможет справляться с огромными дальнейшими нагрузками на серверы.

Наряду с таким высоким потенциалом по производительности важно не упустить из виду то, сколько места предоставляют модули для процессоров или альтернативных вычислительных блоков. Это становится ясным, если взглянуть на современные высокопроизводительные процессоры компаний Intel и AMD с их шестнадцатью и более ядрами, или на мощные FPGA, которые могут быть размером с ладонь. Для них COM-HPC Server предлагает размеры модулей в форм-факторе 200×160 мм (Size E) или 160×160 мм (Size D), как это показано на рис. 1, в сравнении с базовым модулем COM Express Basic. Эти сравнительно большие платы также упрощают отвод тепла, предоставляя пространство для крупных радиаторов, которые могут более эффективно распределять генерируемые тепловые потоки.

COM-HPC Server определяет два разных по размерам форм-фактора: Size E на текущий момент с пространством для установки до 8 разъемов DIMM и объема ОЗУ, равного 1 Тбайт, и Size D, который на 20% меньше для 4 разъемов DIMM.

Рис. 1. COM-HPC Server определяет два разных по размерам форм-фактора: Size E на текущий момент с пространством для установки до 8 разъемов DIMM и объема ОЗУ, равного 1 Тбайт, и Size D, который на 20% меньше для 4 разъемов DIMM. Хотя COM-HPC Server и Client используют одни и те же разъемы с 2×400 контактами, они расположены на разных расстояниях друг от друга. Это предотвращает повреждение от случайной установки неправильного типа модуля

 

Больший объем и возможности памяти

С такими большими размерами модули COM-HPC Server также обеспечивают большие возможности и производительность памяти. У них достаточно места для модулей памяти DIMM, которые отвечают требованиям к высокой пропускной способности и размеру памяти для микро-, пограничных и туманных серверов. Что касается форм-фактора Size E, в таком решении серверы-на-модулях могут содержать до восьми разъемов DIMM и на текущий момент обеспечить до 1 Тбайт оперативной памяти. Что касается серверных модулей форм-фактора Size D, они могут иметь до четырех DIMM-сокетов и в настоящее время обеспечить до 512 Гбайт памяти.

 

Больше производительности по портам ввода/вывода (I/O)

Для подключения к несущей плате COM-HPC Server предусматривает 8×25 GbE, а также 65 линий PCIe для PCI Express Gen 4.0 и Gen 5.0. Одна из этих линий зарезервирована для связи с дополнительным контроллером управления платой (BMC) на несущей плате, а остальные 64 линии PCIe могут использоваться для подключения периферийных устройств. Поэтому COM-HPC Server предлагает чрезвычайно широкие и мощные возможности подключения — например, для подсоединения дополнительных вычислительных ускорителей, таких как GPGPU, FPGAS и ASICS в форме соответствующих модулей COM-HPC, или носителей на основе NVMe. В целом, конструкции серверов COM-HPC выигрывают от производительности ввода/вывода до 256 Гбит/с через PCIe. Можно добавить еще два 40 Гбит/с через два интерфейса USB 4.0 в версиях Thunderbolt 3.0, а также два 20 Гбит/с через два интерфейса USB 3.2. Четыре дополнительных интерфейса USB 2.0 дополняют предложение USB для модулей COM-HPC Server. Помимо двух собственных SATA, они также поддерживают eSPI, 2×SPI, SMB, 2×I2C, 2×UART и 12×GPIO для интеграции простых периферийных устройств и стандартных интерфейсов связи, в том числе для обслуживания. Дополнительный порт Ethernet 10 Гбит/с обеспечивает выделенный канал связи, который можно использовать для удаленного и внеполосного управления.

Основные характеристики модулей COM-HPC-сервера:

  • 65×PCIe;
  • 8×25 GbE KR;
  • BaseT (до 10 Гбайт);
  • 2×USB4;
  • 2×2;
  • 4×0;
  • 2×SATA;
  • eSPI, 2×SPI, SMB;
  • 2×I2C, 2×UART;
  • 12×GPIO.

Большое количество высокоскоростных интерфейсов, высокая пропускная способность сети и производительность удаленно управляемых (headless — без монитора, мыши, клавиатуры) серверов — важные преимущества COM-HPC.

 

Оптимизированное управление серверной платой

Еще одна отрасль, впервые представленная COM-HPC, — это специальный интерфейс управления системой, который в настоящее время разрабатывается в Subcommitte Remote Management удаленного управления PICMG (подкомитет удаленного управления). Цель состоит в том, чтобы сделать части набора функций, указанные в интеллектуальном интерфейсе управления платформой (Intelligent Platform Management Interface, IPMI), доступными для управления модулем удаленного пограничного сервера. Интеллектуальный интерфейс управления платформой IPMI предназначен для автономного мониторинга и управления функциями, встроенными непосредственно в аппаратное и микропрограммное обеспечения серверных платформ. Ключевые характеристики IPMI — мониторинг, восстановление функций управления, логирование и инвентаризация, которые доступны независимо от процессора, BIOS и операционной системы. Функции управления платформой могут быть доступны, даже если система находится в выключенном состоянии.

Таким образом, аналогично подчиненной функции, COM-HPC также предоставляет расширенные функции коммуникации для удаленного управления. Благодаря этой функции OEM-производители и пользователи смогут гарантировать надежность, доступность, ремонтопригодность и безопасность (в технической литературе и спецификациях часто подается как RAMS — аббревиатура от Reliability, Availability, Maintainability, Safety), как общий набор требований для серверов. Для индивидуальных нужд данную функцию можно расширить с помощью дополнительного контроллера управления платой на плате-носителе. Это обеспечивает OEM-производителям единую основу для удаленного управления, которая может быть адаптирована к конкретным требованиям заказчика.

 

COM-HPC Client: больше, быстрее и не только

Хотя спецификация COM-HPC Server концентрирует внимание на совершенно новых разработках встраиваемых пограничных серверов, существуют, конечно, и «классические» высокопроизводительные встраиваемые системы, которые до сих пор используют стандарт COM Express Type 6. OEM-производители задаются вопросом, не приведет ли ввод в действие стандарта COM-HPC к снятию с производства существующие конструкции компьютеров-на-модулях, выполненных на основе COM Express. Соответственно их волнует и еще один сопутствующий вопрос: когда будет наилучшее время для перехода на COM-HPC и какие преимущества COM-HPC даст для них и их клиентов? Чтобы ответить на эти вопросы, важно подробно узнать, какие функции предлагают клиентские модули COM-HPC Client, и сравнить их с функциями COM Express.

 

Три форм-фактора

Во многих отношениях оба стандарта, COM Express и COM-HPC Client, имеют больше сходств, чем различий. Как и COM Express, COM-HPC Client определяет три размера форм-фактора модуля: 120×160 мм (Size C), 120×120 мм (Size B) и 120×95 мм (Size A). Это означает, что наименьший размер COM-HPC Client практически идентичен COM Express Basic, который имеет формат 125×95 мм. Уже одно это показывает, что клиент COM-HPC расположен над COM Express, обращаясь к приложениям, недоступным с COM Express (рис. 2).

COM Express и COM-HPC Client определяют три разных варианта форм-фактора. Однако с наименьшим размером COM-HPC (Size A), почти идентичным COM Express Basic, сразу видно, что COM-HPC расположен выше COM Express

Рис. 2. COM Express и COM-HPC Client определяют три разных варианта форм-фактора. Однако с наименьшим размером COM-HPC (Size A), почти идентичным COM Express Basic, сразу видно, что COM-HPC расположен выше COM Express

 

Больше мощности

Различия проявляются и в поддерживаемом объеме мощности. Для COM-HPC Client он составляет 200 Вт, а это примерно в три раза больше, чем у самых современных модулей COM Express Type 6. Что касается объема памяти, в то время как и COM-HPC Client и COM Express используют SODIMMS или запаянную память, COM-HPC Client может вместить больше памяти, используя до четырех разъемов SODIMM. Тем не менее благодаря тому, что COM Express уже способен поддерживать 96 Гбайт, он, как COM-HPC Client, отвечает высоким требованиям по объему памяти.

 

Больше более быстрых интерфейсов

С точки зрения компоновки наиболее важное различие между модулями COM Express и COM-HPC касается разъема и количества сигнальных контактов, соединяющих модуль с несущей платой для конкретного приложения (табл. 2).

Таблица 2. Отличия COM Express и COM-HPC

COM-HPC (Client)

COM Express (Type 6)

49×PCIe

24×PCIe

2×MIPI-CSI

2×SER/CAN

2×25 GbE KR

Gigabit Ethernet

2× BaseT (до 10 Гбайт)

 

3×DDI, 1×eDP

3×DDI, 1×LVDS/eDP

2×SoundWire, I2S

HDA

4×USB4

4×USB3.0

4×USB2.0

8×USB2.0

2×SATA

4×SATA

eSPI, 2×SPI, SMB

SPI, I2C

2×I2C, 2×UART

ExpressCard

12×GPIO

8×GPIO/SDIO

COM-HPC использует новый разъем, разработанный для новейших высокоскоростных интерфейсов и уже предназначенный для высоких тактовых частот PCIe 5.0 и 25 Гбит/с. COM Express поддерживает PCIe Gen 3.0 и PCIe 4.0 в режиме совместимости. Но, конечно, вначале должны появиться встраиваемые процессоры с PCIe Gen 4.0. Как и COM Express, COM-HPC поддерживает два разъема, но по 400 контактов на каждом. Таким образом, имея в общей сложности 800 сигнальных контактов, COM-HPC располагает почти вдвое большим числом контактов, чем модули COM Express Type 6 с 440 контактами. Излишне говорить, что это также обеспечивает пространство для многих других интерфейсов.

Клиентские модули COM-HPC Client используют 49 линий PCIe для платы-носителя, одна из которых опять-таки предназначена для связи с контроллером управления материнской платой BMC (BMC — Baseboard Management Controller, выполняется на базе системы-на-кристалле (System-on-a-Chip, SoC) и реализуется поверх «обычного» baseboard management controller функциональность сервисного процессора) платы-носителя. Соответственно, COM-HPC Client имеет в два раза больше линий, чем COM Express Type 6 (максимум 24 линии), непосредственно на модуле также предусмотрены два интерфейса 25 GbE KR Ethernet и до двух 10 Gb BaseT. В отличие от COM-HPC Client, COM Express Type 6 поддерживает один 1 GbE с возможностью реализации дополнительных сетевых интерфейсов через плату-носитель.

 

Графические возможности

Поддержка графики идентична в обоих стандартах, в то же время это отличает оба модуля от автономных модулей COM Express типа сервер-на-модуле и COM-HPC Server. Оба стандарта поддерживают до четырех дисплеев через три интерфейса цифровых дисплеев (DDI) и один встроенный порт DisplayPort (eDP). Что касается мультимедийных интерфейсов, то COM-HPC, вместо интерфейса HDA, указанного для COM Express, использует SoundWire. SoundWire — новый стандарт MIPI, который требует только двух линий: тактовой частоты и данных с тактовой частотой до 12,288 МГц. Через эти две линии можно подключить до четырех аудиокодеков, причем для анализа каждый кодек получает собственный идентификатор.

 

Больше пропускной способности USB и MIPI-CSI для видеокамеры

С точки зрения поддерживаемых стандартов USB перспективный COM-HPC предусматривает до четырех интерфейсов USB 4.0, дополненных четырьмя USB 2.0. Хотя клиентские модули COM-HPC Client имеют на четыре USB-порта меньше, чем модули COM Express Type 6, которые поддерживают до четырех USB 3.1 и восьми USB 2.0, это компенсируется большей пропускной способностью, поскольку USB 4.0 рассчитан на скорость передачи до 40 Гбит/с. Еще одна привлекательная особенность клиентских модулей COM-HPC Client заключается в том, что они предоставляют два интерфейса MIPI-CSI, обеспечивая экономически эффективные подключения камер для ситуационной осведомленности и коллаборативной робототехники, то есть роботизированного оборудования, действующего в общей рабочей зоне с человеком.

COM-HPC Client предлагает два интерфейса SATA для подключения уже традиционных твердотельных накопителей (SSD) и жестких дисков типа HDD, которые хотя и считаются сегодня устаревшими устройствами, но все же находят применение, а также промышленных интерфейсов — двух UART и двенадцать GPIO. Дополняют набор интерфейсов два I2C, SPI и eSPI. Все эти функции сопоставимы с модулями COM Express Type 6, которые в отличие от COM-HPC в качестве уникальной функции предлагают и дополнительную CAN-шину через разъем.

Таким образом, OEM-производители с конструкциями на основе COM Express могут быть уверены в том, что COM Express еще будет доступен в течение многих лет. Это верно и потому, что стандарт COM-HPC не вводит новую системную шину в отличие от коммутаторов с ISA на PCI и с PCI на PCI Express. Следует также помнить, что модули COM Express не заменяли модули на основе ETX (Embedded Technology eXtended — форм-фактор материнских плат) как наиболее продаваемые до 2012 года, то есть через 11 лет после появления ETX. И модули ETX все еще продаются сегодня. Поскольку поколения PCIe обратно совместимы со своими предшественниками, проекты с PCIe Gen 3.0 останутся в эксплуатации в течение длительного времени, даже после того как PCIe Gen 4.0 будет введен на всех процессорных уровнях. Таким образом, до тех пор пока данная спецификация интерфейса является адекватной, что-либо изменять нет никакой необходимости.

Однако если требуется более 32 линий PCIe или понадобится PCIe 4.0 в полной полосе пропускания, USB 4.0, 25 Гбит/с Ethernet и/или расширенные функции удаленного управления, то, естественно, стоит переключиться на COM-HPC. В противном случае можно придерживаться подхода «никогда не меняйте работающую систему», поскольку часто лучшее — враг хорошего.

Открытые и независимые от производителя стандарты для компьютера-на-модуле обеспечивают жизненный цикл приложений в течение нескольких десятилетий. OEM-производители могут по-прежнему приобретать новые модули форм-фактора ETX, несмотря на то, что этот форм-фактор основан исключительно на устаревших шинах. Благодаря обратной совместимости стандарты, базирующиеся на PCIe, будут жить и работать еще долго.

Литература
  1. Eder C., Isquith J. COM-HPC Limitless high-speed scalability. Whitepaper.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.