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COM-HPC艷麗現身 引領工業電腦模組邁入新世代
需要高性能運算平台來實現巨量資料的傳輸
[作者 盧傑瑞]   2021年01月04日 星期一 瀏覽人次: [1049]

隨著資料傳輸量的增加,「邊緣運算」已經成為實現資料管理和運算過程中,顯著且有效率的關鍵性解決方案,對這種解決方案的需求也在逐年增加。因此PICMG對著手定義了更新一代的工業電腦模組標準「COM-HPC」。


COM概念發表20餘年以來,在高品質、高性能運算平台的開發和製造方面,為了讓導入的業者快速提升競爭力,COM降低了設計新載板所需要的時間和精力,也成功擴展到包括圖形密集型、行動式、交通、醫療設備、軍工、電信等眾多應用。近年來隨通信技術的快速發展和人工智慧、邊緣運算等概念的引入,以及 PCIe介面標準的進一步演進,COM朝向高性能運算方向推進已是大勢所趨。


CoM或SoM是一種小型的即用型運算解決方案,由獨立於應用程式的硬體和軟體組成,可用於開發任何嵌入式產品。從軟體的角度來看,包括了操作系統,設備驅動程式和關聯的BSP(圖1)。



圖1 : COM朝向高性能運算方向推進已是大勢所趨?(source:凌華)
圖1 : COM朝向高性能運算方向推進已是大勢所趨?(source:凌華)

一般而言,期望導入CoM的目的,不外乎包含了下述4個期待。1. 加快讓產品導入市場:可以專注於開發產品的特定於應用程序的部分。讓CoM進行基本的通用電路。2. 經過驗證的解決方案:透過CoM供應商可靠的解決方案,可降低開發風險。3. 優化產品開發成本:利用現成的CoM經濟規模,來降低開發成本。4. 獲得最新技術:藉由CoM供應商所開發的先進技術(SOC、記憶體),來開發出更具競爭力的產品。


必須有一個高性能的運算平台來實現巨量資料的傳輸

今天整個產業界都在關心邊緣運算對物聯網的影響,更進一步的說,如果業者能夠在雲端運算和邊緣運算之間,提供正確功能和資源配置的物聯網架構與嵌入式平台,這將會因為其性價比和穩定性,成為物聯網時代的主流。根據市調機構的研究,到2023年時,將有75%的資料會在數據伺服器之外,被建立和產生,而其中超過50%的資料將在邊緣進行處理、儲存和分析。具體來說,大約是45 Zetta Bytes的資料,這比2019年全球產生的資料總量還要多。也就意味著數據伺服器的性能必須在邊緣環境中擴散。當然,實現這一點說起來容易做起來難。


在雲端運算中,可以透過網路儲存和分析最終用戶的特定目的,進行大量數據上傳,因此收集和處理數據的能力,對雲端伺服器就顯得非常重要。另外,在各種應用中,為了解決需求和問題,雲端交換的通信資料不斷被收集、儲存和分析。這些大量資料的傳輸和分析,相當需要安全和強大的雲端機制,因此必須有一個高性能的運算平台來實現巨量資料的傳輸。


邊緣運算是一個快速發展的領域,需要前所未有的性能。到目前,高階嵌入式多核處理器的系統記憶體需求都在迅速增長。當記憶體需求接近128 GB或256 GB時,目前常見的規格(例如COM Express)已經無法有效解決性價比的困難。


對於現今這一個領域來看,COM-HPC將是物聯網市場上的首款產品,因為其優異的性價比和穩定性,相當有望成為未來物聯網時代的主流解決方案。


由PICMG所開發的嵌入式模組標準「COM Express」已經使用了10多年,也因為各方面需求不斷的增加,因此在2017年更開發了COM Express Type7。


接下來,因為隨著資料傳輸量的增加,「邊緣運算」已經成為實現資料管理和運算過程中,顯著且有效率的關鍵性解決方案,對這種解決方案的需求也在逐年增加。因此PICMG對於市場上這些的需求,又著手定義了更新一代的工業電腦模組標準「COM-HPC」(圖2)。COM-HPC規格將免費提供給PICMG會員,非會員可以750美元的價格購買使用。



圖2 : PICMG為了滿足市場的需求,又定義了COM-HPC。(source:Adventech)
圖2 : PICMG為了滿足市場的需求,又定義了COM-HPC。(source:Adventech)

COM-HPC的六大特點

與COM Express相比,COM-HPC具備了更高的性能水準,並採用創新的設計來滿足高階運算的需求。而這項由PCI工業電腦製造商協會所(PICMG)所主導開發的最新模組規格,已經到了最後的階段,預計這個新一代的模組規格,可以滿足最高效能工業邊緣運算市場的需求。COM-HPC並不是取代COM Express,而是在擴展COM Express的成功(見圖表3)。



圖3 : COM-HPC與COM Express的規格比較。(source:kontron)
圖3 : COM-HPC與COM Express的規格比較。(source:kontron)

邊緣運算是一個快速發展的領域,不斷需要更先進的效能來支持成長。所以在可預見的未來,高階嵌入式多核處理器的系統記憶體需求,都將呈現快速成長。但是當記憶體需求接近128 GB或256 GB時,目前常見的規格(例如COM Express)是無法達到高經濟效率,這也就是為什麼需要COM-HPC的原因。


COM-HPC定義了五種尺寸,最多允許在板載上放置八個DIMM插槽,做為伺服器模組之用。除了更快、更好、更便宜之外,COM-HPC還實現了與廠商和架構所需的多規格介面,例如,用eSPI取代LPC,使非x86架構可以輕鬆地整合到COM-HPC中。


COM-HPC的特點包括了:


● 支援運算密集型平台


COM-HPC支援TDP高達150W的處理器。這些規格不僅與最新的高密度處理器相容,後者可提供約110W的16個運算內核,而且在未來10年內將支援更多的內核,預計未來十年需要將支援更多的處理器,因此預留了30~40W的空間,作為未來擴充設計的準備。


● 最大記憶體容量


高性能嵌入式多核處理器對記憶體的要求呈指數級成長,因此,平台必須支援足夠的記憶體,以達到預期的最大性能水準。 COM-HPC最多可實現8個DIMM,提供高達512GB的記憶體容量,以支援最新、最主流的記憶體解決方案。另一方面,隨著記憶體技術的進步,COM-HPC更能夠支援更大的記憶體容量。


● 高頻寬介面


COM-HPC最多可提供64條通用PCIe通道,和一條專用於連接到IPMI BMC(載板)的PCIe通道。使得COM-HPC可以支援比COM Express更寬廣的鏈接頻寬,例如4個PCIe x16或8個PCIe x8。還可暫時支援PCIe Gen 4.0,但隨著最新高密度和高速連接器的出現,也將能相容於PCIe Gen 5.0。


另外,COM-HPC也支援最常用的USB介面,最多可提供4個USB 4介面,能夠傳輸高達20Gbit的資料。透過COM-HPC的8個10GbE埠,可利用乙太網路和外界連接,這已經相當於兩個100GbE埠。


● 模組尺寸


COM-HPC規格中定義了五種模組尺寸(圖4)。 最大的是E尺寸,為200mm x 160mm,E尺寸可以安裝8個DIMM。 另一方面,最小的模組板尺寸是為了作為使用SO-DIMMs,或焊接板載記憶體的用戶端平台,開發業者可以選擇最適合自己應用需求的尺寸模組。



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

● 功能集(Feature Set)和針腳(Pinout)


該規格支援兩種不同功能集的針腳,COM-HPC的伺服器型和用戶端型。伺服器端功能集作用在於進行密集型資料處理和連接,具有多達64條通用PCIe通道,和8個10GbE埠。而用戶端則是針對一般應用,包括了多個顯示和音訊介面以及MIPI-CSI攝影鏡頭介面。 這兩個功能組都使用了主連接器(J1),和副連接器(J2)。不過如有必要時,可以不使用第二個連接器,這會有助於整體成本結構,因為在特殊的應用下,例如不需要完整功能集的用戶端實現時,重要的和基本的功能,都已經被分配給主連接器(J1)。


● 最新的高密度和高速連接器


COM-HPC也定義了一個400接腳、32GT/s(PCIe Gen 5)相容的連接器(圖5)。 在一般典型的應用中,每個COM-HPC模組的底部提供了兩個載板對載板的連接器,一個是主連接器(J1),一個是副連接器(J2)。 從模組到載板的預設高度是10 mm,但可以透過使用不同高度的連接器將其改為5 mm。



圖5 : COM-HPC定義了400接腳的連接器。(source:Kontron)
圖5 : COM-HPC定義了400接腳的連接器。(source:Kontron)

COM-HPC連接器還採用了SAMTEC的Edge Rate接觸系統,可提供1mm的接觸點。Edge Rate是一種堅固的觸點,專為COM-HPC等高速、高頻寬平台而設計。觸點定位在塑膠體中,以最大限度地減少平行表面積,降低寬邊耦合和串擾。邊緣速率觸頭還針對 50 Ω 參考和 100 Ω 差分信號類型進行了設計、模擬和優化。


此外,COM-HPC連接器採用2.2 / 2.4 / 2.2 mm的行間距。增加的中心行距使PCB設計人員有更大的空間來路由差分信號。此外,隨著空間的增加,以及在差分信號周圍增加更多接地孔的能力,串擾也得到了改善。稍後會有更多關於這個主題的內容。


從2020年底開始,已經有業者陸續發表符合最新COM-HPC標準的電腦模組產品,並且配合其他硬體廠商的推動、產品開發以及帶動市場需求,相信兩年內可達到成為市場主流規格的目標。


從另一個角度來看,COM-HPC並不會取代COM Express,而是一種延伸和拓展,向邊緣伺服器和多功能邊緣用戶端解決方案的方向發展,來解決新的介面需要面臨的更高信號頻率,以及信號集成度的挑戰。相信到目前為止COM HPC已是最高性能的標準,並將引領工業電腦模組朝向新的世代發展。


**刊頭圖(source:congatec)


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