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COM-HPC艳丽现身 引领工业电脑模组迈入新世代
需要高性能运算平台来实现巨量资料的传输

【作者: 盧傑瑞】2021年01月04日 星期一

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随着资料传输量的增加,「边缘运算」已经成为实现资料管理和运算过程中,显着且有效率的关键性解决方案,对这种解决方案的需求也在逐年增加。因此PICMG对着手定义了更新一代的工业电脑模组标准「COM-HPC」。


COM概念发表20馀年以来,在高品质、高性能运算平台的开发和制造方面,为了让导入的业者快速提升竞争力,COM降低了设计新载板所需要的时间和精力,也成功扩展到包括图形密集型、行动式、交通、医疗设备、军工、电信等众多应用。近年来随通信技术的快速发展和人工智慧、边缘运算等概念的引入,以及 PCIe介面标准的进一步演进,COM朝向高性能运算方向推进已是大势所趋。


CoM或SoM是一种小型的即用型运算解决方案,由独立於应用程式的硬体和软体组成,可用於开发任何嵌入式产品。从软体的角度来看,包括了操作系统,设备驱动程式和关联的BSP(图1)。



图1 : COM朝向高性能运算方向推进已是大势所趋?(source:凌华)
图1 : COM朝向高性能运算方向推进已是大势所趋?(source:凌华)

一般而言,期??导入CoM的目的,不外??包含了下述4个期待。1. 加快让产品导入市场:可以专注於开发产品的特定於应用程序的部分。让CoM进行基本的通用电路。2. 经过验证的解决方案:透过CoM供应商可靠的解决方案,可降低开发风险。3. 优化产品开发成本:利用现成的CoM经济规模,来降低开发成本。4. 获得最新技术:藉由CoM供应商所开发的先进技术(SOC、记忆体),来开发出更具竞争力的产品。


必须有一个高性能的运算平台来实现巨量资料的传输

今天整个产业界都在关心边缘运算对物联网的影响,更进一步的说,如果业者能够在云端运算和边缘运算之间,提供正确功能和资源配置的物联网架构与嵌入式平台,这将会因为其性价比和稳定性,成为物联网时代的主流。根据市调机构的研究,到2023年时,将有75%的资料会在数据伺服器之外,被建立和产生,而其中超过50%的资料将在边缘进行处理、储存和分析。具体来说,大约是45 Zetta Bytes的资料,这比2019年全球产生的资料总量还要多。也就意味着数据伺服器的性能必须在边缘环境中扩散。当然,实现这一点说起来容易做起来难。


在云端运算中,可以透过网路储存和分析最终用户的特定目的,进行大量数据上传,因此收集和处理数据的能力,对云端伺服器就显得非常重要。另外,在各种应用中,为了解决需求和问题,云端交换的通信资料不断被收集、储存和分析。这些大量资料的传输和分析,相当需要安全和强大的云端机制,因此必须有一个高性能的运算平台来实现巨量资料的传输。


边缘运算是一个快速发展的领域,需要前所未有的性能。到目前,高阶嵌入式多核处理器的系统记忆体需求都在迅速增长。当记忆体需求接近128 GB或256 GB时,目前常见的规格(例如COM Express)已经无法有效解决性价比的困难。


对於现今这一个领域来看,COM-HPC将是物联网市场上的首款产品,因为其优异的性价比和稳定性,相当有??成为未来物联网时代的主流解决方案。


由PICMG所开发的嵌入式模组标准「COM Express」已经使用了10多年,也因为各方面需求不断的增加,因此在2017年更开发了COM Express Type7。


接下来,因为随着资料传输量的增加,「边缘运算」已经成为实现资料管理和运算过程中,显着且有效率的关键性解决方案,对这种解决方案的需求也在逐年增加。因此PICMG对於市场上这些的需求,又着手定义了更新一代的工业电脑模组标准「COM-HPC」(图2)。COM-HPC规格将免费提供给PICMG会员,非会员可以750美元的价格购买使用。



图2 : PICMG为了满足市场的需求,又定义了COM-HPC。(source:Adventech)
图2 : PICMG为了满足市场的需求,又定义了COM-HPC。(source:Adventech)

COM-HPC的六大特点

与COM Express相比,COM-HPC具备了更高的性能水准,并采用创新的设计来满足高阶运算的需求。而这项由PCI工业电脑制造商协会所(PICMG)所主导开发的最新模组规格,已经到了最後的阶段,预计这个新一代的模组规格,可以满足最高效能工业边缘运算市场的需求。COM-HPC并不是取代COM Express,而是在扩展COM Express的成功(见图表3)。



图3 : COM-HPC与COM Express的规格比较。(source:kontron)
图3 : COM-HPC与COM Express的规格比较。(source:kontron)

边缘运算是一个快速发展的领域,不断需要更先进的效能来支持成长。所以在可预见的未来,高阶嵌入式多核处理器的系统记忆体需求,都将呈现快速成长。但是当记忆体需求接近128 GB或256 GB时,目前常见的规格(例如COM Express)是无法达到高经济效率,这也就是为什麽需要COM-HPC的原因。


COM-HPC定义了五种尺寸,最多允许在板载上放置八个DIMM??槽,做为伺服器模组之用。除了更快、更好、更便宜之外,COM-HPC还实现了与厂商和架构所需的多规格介面,例如,用eSPI取代LPC,使非x86架构可以轻松地整合到COM-HPC中。


COM-HPC的特点包括了:


● 支援运算密集型平台


COM-HPC支援TDP高达150W的处理器。这些规格不仅与最新的高密度处理器相容,後者可提供约110W的16个运算内核,而且在未来10年内将支援更多的内核,预计未来十年需要将支援更多的处理器,因此预留了30~40W的空间,作为未来扩充设计的准备。


● 最大记忆体容量


高性能嵌入式多核处理器对记忆体的要求呈指数级成长,因此,平台必须支援足够的记忆体,以达到预期的最大性能水准。 COM-HPC最多可实现8个DIMM,提供高达512GB的记忆体容量,以支援最新、最主流的记忆体解决方案。另一方面,随着记忆体技术的进步,COM-HPC更能够支援更大的记忆体容量。


● 高频宽介面


COM-HPC最多可提供64条通用PCIe通道,和一条专用於连接到IPMI BMC(载板)的PCIe通道。使得COM-HPC可以支援比COM Express更宽广的链接频宽,例如4个PCIe x16或8个PCIe x8。还可暂时支援PCIe Gen 4.0,但随着最新高密度和高速连接器的出现,也将能相容於PCIe Gen 5.0。


另外,COM-HPC也支援最常用的USB介面,最多可提供4个USB 4介面,能够传输高达20Gbit的资料。透过COM-HPC的8个10GbE埠,可利用乙太网路和外界连接,这已经相当於两个100GbE埠。


● 模组尺寸


COM-HPC规格中定义了五种模组尺寸(图4)。 最大的是E尺寸,为200mm x 160mm,E尺寸可以安装8个DIMM。 另一方面,最小的模组板尺寸是为了作为使用SO-DIMMs,或焊接板载记忆体的用户端平台,开发业者可以选择最适合自己应用需求的尺寸模组。



图4 : COM-HPC板尺寸。(source:PR TIMES)
图4 : COM-HPC板尺寸。(source:PR TIMES)

● 功能集(Feature Set)和针脚(Pinout)


该规格支援两种不同功能集的针脚,COM-HPC的伺服器型和用户端型。伺服器端功能集作用在於进行密集型资料处理和连接,具有多达64条通用PCIe通道,和8个10GbE埠。而用户端则是针对一般应用,包括了多个显示和音讯介面以及MIPI-CSI摄影镜头介面。 这两个功能组都使用了主连接器(J1),和??连接器(J2)。不过如有必要时,可以不使用第二个连接器,这会有助於整体成本结构,因为在特殊的应用下,例如不需要完整功能集的用户端实现时,重要的和基本的功能,都已经被分配给主连接器(J1)。


● 最新的高密度和高速连接器


COM-HPC也定义了一个400接脚、32GT/s(PCIe Gen 5)相容的连接器(图5)。 在一般典型的应用中,每个COM-HPC模组的底部提供了两个载板对载板的连接器,一个是主连接器(J1),一个是??连接器(J2)。 从模组到载板的预设高度是10 mm,但可以透过使用不同高度的连接器将其改为5 mm。



图5 : COM-HPC定义了400接脚的连接器。(source:Kontron)
图5 : COM-HPC定义了400接脚的连接器。(source:Kontron)

COM-HPC连接器还采用了SAMTEC的Edge Rate接触系统,可提供1mm的接触点。Edge Rate是一种坚固的触点,专为COM-HPC等高速、高频宽平台而设计。触点定位在塑胶体中,以最大限度地减少平行表面积,降低宽边耦合和串扰。边缘速率触头还针对 50 Ω 叁考和 100 Ω 差分信号类型进行了设计、模拟和优化。


此外,COM-HPC连接器采用2.2 / 2.4 / 2.2 mm的行间距。增加的中心行距使PCB设计人员有更大的空间来路由差分信号。此外,随着空间的增加,以及在差分信号周围增加更多接地孔的能力,串扰也得到了改善。稍後会有更多关於这个主题的内容。


从2020年底开始,已经有业者陆续发表符合最新COM-HPC标准的电脑模组产品,并且配合其他硬体厂商的推动、产品开发以及带动市场需求,相信两年内可达到成为市场主流规格的目标。


从另一个角度来看,COM-HPC并不会取代COM Express,而是一种延伸和拓展,向边缘伺服器和多功能边缘用户端解决方案的方向发展,来解决新的介面需要面临的更高信号频率,以及信号集成度的挑战。相信到目前为止COM HPC已是最高性能的标准,并将引领工业电脑模组朝向新的世代发展。


**刊头图(source:congatec)


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