Der neue COM-HPC Standard

iesy und die Sicht auf den neuen COM-HPC Standard

4. August 2020

Das Thema COM-HPC ist bereits seit einiger Zeit in aller Munde und natürlich befassen auch wir uns mit diesem neuen Standard, sowie möglichen Kundenapplikationen. Gemeinsam mit unserem Partner congatec AG haben wir daher den Vorsitzenden des technischen Unterausschusses COM-HPC der PICMG und Marketing Manager Christian Eder, sowie unseren Geschäftsführer, Martin Steger zu ihren Plänen zu diesem spannenden Thema interviewt.

 

congatec und iesy diskutieren den neuesten Computer on Module Standard und die Auswirkung auf den Markt.

Es ist drei Jahre her, als die neueste Computer on Module (COM)-Spezifikation, COM Express 3.0, für den industriellen Einsatz freigegeben wurde. Nun steht die Embedded-Computer-Industrie kurz vor einem neuen Standard: COM für Hochleistungsrechner (COM-HPC), der noch in diesem Jahr ratifiziert werden soll. Der Vorsitzende der technischen Arbeitsgruppe COM-HPC der PICMG und Marketing Direktor bei congatec, Christian Eder und Martin Steger, Geschäftsführer des Anbieters von Embedded-Computing-Systemen iesy GmbH & Co. KG, erläutern hier die Auswirkungen, die dieser neue Standard auf den Markt bringen wird.

 

Was sind die Hauptunterschiede zwischen COM-HPC und COM Express?

Christian Eder (CE): Computer-on-Modules, die auf dem neuen COM-HPC-Standard basieren, versprechen neben anderen Vorteilen eine wesentlich höhere Übertragungsleistung, viel mehr Hochgeschwindigkeitsschnittstellen und eine wesentlich schnellere Netzwerkverbindung. Das liegt an einem völlig neu konzipierten, leistungsfähigeren neuen Steckverbinder von Modul zu Trägerplatte. Während COM Express diese Verbindung mit 440 Pins herstellt, sieht die COM-HPC-Spezifikation 800 Pins vor. Somit verdoppelt sich die maximale Anzahl der PCIe-Lanes von 32 für COM Express Typ 7 auf 64 für COM-HPC/Server.

Während COM Express maximal PCIe Gen 3.0 mit 8 Gb/s pro Lane unterstützt, erreicht ein COM-HPC-Modul über PCIe-5.0 bis zu 32 Gb/s pro Lane - das ist das Vierfache der Datenrate von COM Express. COM-HPC-Module werden daher in besonders leistungshungrigen Anwendungen zum Einsatz kommen, beispielsweise zur Einbettung von künstlicher Intelligenz mit tiefem Lernen in eingebetteten Systemen oder auch zur Implementierung von taktilem Internet auf Edge-Server-Ebene.

 

Zum Thema Edge-Server: Welche Leistungssteigerungen können von COM-HPC-Modulen im Hinblick auf die Ethernet-Konnektivität erwartet werden?

CE: Die enorme Geschwindigkeitssteigerung hat einen immensen Einfluss auf die Konnektivitätsleistung. Aktuelle COM-Express-Module (Typ 7) auf Edge-Server-Ebene bieten maximal 10 Gb Ethernet pro Signalpaar. COM-HPC hingegen spezifiziert 25 Gb Ethernet und mehr.

Mit bis zu acht Netzwerkverbindungen lassen sich dann Übertragungsraten von 2x 100 Gbit/s erreichen. Solche Raten werden in erster Linie für leistungsfähige Edge-Server-Lösungen am Rande von Telekommunikationsnetzen benötigt. Hier müssen schnelle Up-, Down- und Crosslinks in alle Richtungen aufgebaut werden: nach Norden in Richtung der zentralen Cloud, nach Osten und Westen in Richtung benachbarter Edge-Fog und auch nach Süden in Richtung von Industry 4.0-Steuerungen auf Prozessebene.

 

Wie werden sich die von COM-HPC vorgestellten Änderungen auf das Board-Design auswirken, und welche Vorbereitungen trifft iesy für diesen neuen Standard?

Martin Steger (MS): Die wichtigsten Änderungen am Design der Basisplatine werden sich auf die Signalführung beziehen. Wir arbeiten im Bereich der Hardware-Entwicklung stets mit modernsten Tools um Impedanzberechnungen auf Basis des Layer-Stack durchzuführen. In unserem Fokus liegt daher sowohl das Leiterplatten Design, sowie der eigentliche Fertigungsprozess. Mit dem COM-HPC-Standard werden die höheren Geschwindigkeiten von PCIe-4.0 und 5.0 - die, wie Herr Eder erwähnte, bis zu viermal schneller sein können als die PCIe-3.0- Geschwindigkeit - ein sehr sorgfältiges Routing erfordern, um die Signalintegrität zu gewährleisten. Darüber hinaus sind die maximalen Leitungslängen für die höheren Geschwindigkeiten deutlich kürzer. Um diesem Geschwindigkeitsverlust entgegenzuwirken arbeiten wir mit dem Einsatz von Signalverstärkern, so genannten Redrivern. Besonderes Augenmerk liegt außerdem in der Auswahl der geeigneten Leiterplatten-Materialien und das Bestmögliche aus dem Produkt herauszuholen.

COM-HPC bietet uns somit vollkommen neue Ansätze in der Konzeptionierung hochperformanter Computer Architekturen. Vor allem bei den für uns besonders interessanten IT-Security Applikationen bietet COM-HPC diverse Vorteile in Bauform und Performance.

Beispielsweise im Bereich der Kommunikation erschließen sich durch die hohe Ethernet Bandbreite, sowie der hohen Anzahl zusätzlicher PCI Lanes neue Möglichkeiten. Allgemein bedeutet dies eine neue Generation von Embedded-Computing- Anwendungen für eine breite Palette vertikaler Märkte.

 

Wo sehen Sie als erfahrener Entwickler und Anbieter von eingebetteten Systemen die größten Herausforderungen für Baseboard-Designs mit COM-HPC-Modulen?

MS: Die erhöhte Komplexität des Designs neuer Baseboard-Lösungen erfordert ein besonderes Know-How im Bereich der Hardware- Entwicklung, sowie eine enge Zusammenarbeit mit guten Partnern.

Im Bereich der Hardware-Entwicklung können wir auf rund hundert Mann-Jahre zurückgreifen, was uns viele Vorteile bringt. Des Weiteren heben wir an dieser Stelle den stets sehr guten und engen Austausch zur congatec AG besonders hervor ohne diesen es uns äußerst schwer fallen würde, den besonderen Ansprüchen unserer Kunden täglich gerecht zu werden.

Zusätzlich sehen wir große Herausforderungen im Design der Wärmeableitung. Diese Systeme werden Prozessoren mit einer Leistung von mehr als 100 Watt in einem kompakten Footprint aufweisen, sodass eine effektive Kühlung dieser Prozessoren unerlässlich ist, um das Risiko der Überhitzung, der Reduzierung der Lebensdauer oder der Verschlechterung der Performance in diesen eingebetteten Systemen zu minimieren. Durch die große Erfahrung seitens congatec in diesem Bereich planen wir den Einsatz ihrer Lösungen in diversen Projekten.

 

Apropos Footprints: Spezifiziert der neue COM-HPC-Standard mehrere Modulklassen?

CE: Ja, so wie es derzeit Typ 6 und Typ 7 High-End-Spezifikationen für COM Express gibt, haben wir auch für COM-HPC zwei Modulklassen geplant, die unterschiedliche Anwendungs- und Leistungsanforderungen abdecken. Darüber hinaus gibt es innerhalb dieser beiden Modulklassen zwei unterschiedliche Formfaktoren, ähnlich wie bei COM Express Basic und COM Express Compact. Genauer gesagt unterscheiden wir derzeit, analog zum Client/Server-Computing, zwischen Server-und Client-Modulen.

COM-HPC/Server-Module sind auf den Einsatz für Edge-Server-Umgebungen zugeschnitten und erfordern größtmögliche Speicherkapazitäten, eine besonders leistungsfähige Netzwerkverbindung und die Möglichkeit, viele Kerne zur Konsolidierung hoher Arbeitslasten zur Verfügung zu stellen. Diese Server-on-Modules werden die genannten acht DIMM-Sockel auf einer Grundfläche von 200x160 mm aufnehmen, während die kleineren Servermodule mit 160x160 mm bis zu vier DIMM-Sockel beinhalten werden.

Die COM-HPC/Client-Module haben ein etwas kompakteres Design, und sind ebenfalls in zwei Footprint-Varianten - 120x120mm sowie 160x120mm vorgesehen und für den Einsatz in High-End-Embedded-Computing-Anwendungen konzipiert. Im Gegensatz zu den Server-Modulen bieten sie maximal 2x GbE-Schnittstellen (über NBASE-T) für die Ethernet-Anbindung. Darüber hinaus integrieren COM-HPC/Client-Module Videoschnittstellen wie DDI und eDP/MIPI-DSI, über die - im Gegensatz zu COM-HPC/Server-Modulen - bis zu vier unabhängige hochauflösende Displays angesteuert werden können.

 

Was werden COM-HPC-Systeme für Endanwender ermöglichen?

MS: Wir gehen davon aus, dass Serverapplikationen im Allgemeinen interessant für COM-HPC Architekturen sein werden. Hier gab es bislang wenige Lösungen, welche den hohen Anforderungen der Kunden in diesem Bereich erfüllen. Vor allem die Formfaktoren COM-HPC Size D, sowie Size E bieten uns nun die Möglichkeit unsere bisherigen Lösungen basierend auf COM Express Basic neu zu überdenken und die wesentlichen Vorteile von COM-HPC zu nutzen.

Besonders spannend wird hier auch der Einsatz der nächsten Intel® Xeon® Server Plattformen. Diese CPU Lösungen bieten uns die Möglichkeit der Verwendung von bis zu 20 Cores. Die im Bereich der Serverapplikationen vielfach eingesetzten Board Management Controller haben in der COM-HPC Spezifikation erstmals Berücksichtigung erhalten. So wird hier zwischen Board Management-, sowie Modul Management Controllern unterschieden. Es wird erwartet, dass der COM-HPC-Standard bis Q4‘2020 vollständig definiert sein wird und die ersten Applikationen realisiert werden können. Kontaktieren Sie die iesy GmbH & Co. KG, um mit uns gemeinsam Ihre COM-HPC Projekte umzusetzen.  

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