česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 11. srpen 2022

COM Express Type 6 a COM-HPC Client

DPS 4/2021 | Vývoj - články
Autor: Christian Eder, congatec

Poprvé po mnoha letech jsou špičkové integrované procesory k dispozici ve dvou variantách vestavných počítačů typu Computer-on-Module, COM-HPC® Client a COM Express® Type 6. Příchod procesorů Intel® Core® 11. generace (s kódovým označením Tiger Lake) dává vývojářům možnost se rozhodnout, který formát nejlépe odpovídá požadavkům jejich projektu.

Nové otázky

V oblasti vysoce výkonných vestavných počítačů již nějakou dobu dominuje standard COM Express. Avšak současný příchod standardu COM-HPC vyvolává u každého, kdo uvažuje o projektu vestavného počítače s požadavkem na špičkový výpočetní výkon, nové otázky. Jedna z nich je, zda si standardy COM Express a COM-HPC konkurují. Odpověď zní ne, protože jejich specifikace jsou cíleně navrženy tak, aby se navzájem doplňovaly, a oba formáty shodně podporovaly procesory Intel Core 11. generace.

Další otázkou, která se nyní, kdy je možné volit mezi oběma formáty, objevila, je to, zda zvažovat investice do stávajících modulů COM Express, nebo rovnou přejít na nový standard COM-HPC, který ale vyžaduje vývoj nové základní desky (carrier board). Rozhodnutí, zda rozšířit systém podle stávajícího standardu, nebo přejít na nový, je zvláště důležité pro ty vývojáře, kteří se dosud spoléhali jen na COM Express. Musí přitom zvážit několik otázek: Znamená příchod COM-HPC konec COM Express? Jak dlouho bude pokračovat podpora COM Express a jak dlouho budou tyto moduly k dispozici? Je lepší přejít na COM-HPC nyní, nebo ještě počkat? A další věc, kterou je třeba vzít v úvahu, je to, jak by přechod na COM-HPC ovlivnil pozici zákazníků a OEM vůči jejich konkurenci. Aby bylo možné na tyto otázky odpovědět, je třeba se věnovat nejprve tomu, co moduly COMHPC Client nabízejí a v čem se liší od modulů COM Express Type 6.

Formáty Basic a velikost A: pouze nepodstatné rozdíly velikosti

COM-HPC Client, stejně jako COM Express Type 6 patří mezi specifikace PICMG Computer-on-Module. Je součástí širšího standardu COM-HPC. Ten specifikuje také moduly COM-HPC Server, které ale v tomto článku není třeba popisovat, protože jsou orientovány na serverové systémy bez grafiky, zatímco moduly COMHPC Client, stejně jako moduly COM Express Type 6 podporují grafiku. Moduly COM-HPC Client jsou k dispozici ve třech rozměrech, 120 × 160 mm (velikost C), 120 × 120 mm (velikost B) a 120 × 95 mm (velikost A).

Nejmenší modul COMHPC je tedy téměř identický s modulem COM Express Basic o rozměrech 125 × 95 mm. COM Express Compact o rozměrech 95 × 95 mm je zhruba o 21 % menší. Vzhledem k tomu, že COM-HPC velikosti A je pouze o 4 % menší než COM Express Basic, není přechod z modulu COM Express Basic na COM-HPC velikosti A kvůli rozměrům žádný problém.

Větší moduly COM-HPC Client velikosti B a velikosti C jsou větší než moduly COM Express Type 6, a proto se zaměřují na náročnější úlohy, které pomocí COM Express tak jako tak nelze řešit.

Vývojáři, kteří používají COM Express Basic k integraci výkonnějších

procesorů, než jaké jsou k dispozici v COM Express

Compact, se tedy mohou rozhodnout pro model COMHPC Client velikosti A. Ovšem pro formát COM Express Compact neexistuje ve standardu COM-HPC Client žádná alternativa. To jasně ukazuje, že se tyto dvě specifikace doplňují.

Obr.1 COM-HPC (jpg)

COM-HPC specifikuje vyšší TDP

Moduly COM-HPC mají ve srovnání s COM Express větší rozměry a mají i možnost využít větší elektrický příkon. Moduly COM-HPC Client s TDP (Thermal Design Power − navržený tepelný výkon) až 200 W mohou mít až trojnásobnou proudovou spotřebu ve srovnání s nejvýkonnějšími moduly COM Express Type 6. Ve srovnání s COM Express Basic, jehož horní limit je 137 W TDP, má COM-HPC Client TDP o 46 % vyšší. Pro vývojáře, kteří potřebují větší TDP a výkonnější procesory nebo s takovou potřebou v dlouhodobé perspektivě počítají, je proto nutností použít COM-HPC.

Na druhou stranu COM-HPC velikosti A, například nový 15W conga-HPC/cTLU s procesorem Intel Core 11. generace, je z hlediska výkonu s předchozími moduly COM Express srovnatelný. Vývojáři, kteří dosud používají COM Express, však mohou při přechodu na COM-HPC ocenit další výhodu – výrazně větší šířku datového toku ve srovnání s COM Express Type 6, jak je patrné už z počtu signálových pinů.

Téměř dvojnásobný počet pinů zvětšuje šířku pásma

Dva další zásadní rozdíly mezi COM Express Basic Type 6 a COM-HPC Client velikosti A jsou konektor a počet signálových pinů připojujících modul k základní desce, která je specifická pro danou úlohu. Stejně jako COM Express i COM-HPC využívá dva konektory, ale každý z konektorů COM-HPC má 400 pinů. Naproti tomu konektory COM Express mají každý 220 pinů. Rozšíření na 800 signálových pinů umožňuje připojit přibližně o 80 % více rozhraní.

Konektor COM-HPC, který je navržen pro nejnovější vysokorychlostní rozhraní, je také kompatibilní s vysokým hodinovým taktem PCIe 5.0 i 25Gb/s ethernetem. COM Express aktuálně využívá pouze PCIe 3.0 nebo PCIe 4.0 v režimu kompatibility, přičemž omezujícím faktorem je právě konektor. Je však snaha nahradit konektor COM Express konektorem, který by byl mechanicky plně kompatibilní, ale elektronicky výkonnější a kompatibilní s plnohodnotnou PCIe 4.0. Plánovaná inovace konektoru je pro budoucnost standardu COM Express slibným počinem.

Obr.2 COM-HPC (jpg)

Kapacita paměti závisí na formátu

Jak COM-HPC, tak COM Express využívají jako RAM paměti SO-DIMM nebo pájené paměťové obvody. Jak již bylo uvedeno, rozměry COM Express Basic a COM-HPC Client velikosti A se příliš neliší. Kapacita paměti RAM modulů COM Express Basic je aktuálně do 128 GB a vzhledem k podobnosti s COM-HPC velikosti A je kapacita RAM podobná.

Vývojáři, kteří potřebují více paměti RAM, musí použít větší formát modulu. Přestože COM Express definuje větší moduly než Basic, nebyly tyto v praxi prakticky využívány. Očekává se proto, že větší moduly budou primárně založené na standardu COM-HPC. A to se pravděpodobně stane již brzy, protože moduly COM-HPC Server jsou řešením pro servery až do střední výkonové třídy, které RAM nemají nikdy dost. Moduly COM-HPC mohou obsahovat osm plnohodnotných paměťových modulů SO-DIMM, a tak v současné době dosahují kapacity RAM až 1,0 TB. Ve srovnání s nově uvedenými moduly COM Express Type 6 Compact a COM-HPC Client velikosti A s procesory Tiger Lake UP3 tedy mohou mít výrazně více paměti. Ani jeden z obou zmíněných nových modulů však nevyužívá plný potenciál RAM daný specifikací. Oba mají dvě patice SO-DIMM pro frekvenci 3 200 MT/s a pro 32 GB DDR4. Celkem tedy 64 GB RAM. Důvod, proč plný potenciál RAM nelze využít, je jednoduchý: Tiger Lake UP3 více RAM nepodporuje. Potřeba získat více paměti RAM tedy vždy znamená zvolit větší formát modulu než COM Express Basic nebo COM HPC velikosti A. Avšak při neustálém zvyšování hustoty paměti pravděpodobně nebude kapacita RAM pro zamýšlené víceúčelové systémy v budoucnosti limitující.

Stejná grafika, nové audio

Podpora grafiky je u obou standardů stejná. COM-HPC Client a COM Express Type 6 podporují až 4 displeje prostřednictvím tří digitálních rozhraní DDI a jednoho embedded DisplayPort (eDP). Pokud jde o multimédia, standard COM-HPC nahradil rozhraní HDA, které se dříve využívalo u COM Express, rozhraním SoundWire. Rozhraní SoundWire, nový standard MIPI, vyžaduje jen dvě linky a pracuje na frekvenci až 12,288 MHz. Prostřednictvím těchto dvou linek je možné připojit paralelně až čtyři audiokodeky, přičemž každý kodek má vlastní ID pro zpracování. To je velké plus pro aplikace, kde zvuk hraje důležitou roli.

Podpora PCIe a GbE

Moduly COM Express Type 6 podporují až 24 linek PCIe, naproti tomu moduly COM-HPC Client až 49. Jedna linka PCIe modulu COM-HPC Client je vyhrazena pro komunikaci s řadičem na základní desce (BMC – Board Management Controller).

Specifikace modulu COM-HPC Client umožňuje také přímé připojení dvou ethernetových rozhraní 25Gb Base-KR a až dvou 10Gb Base-T. COM Express Type 6 naproti tomu podporuje jen jedno rozhraní 1GbE. Další síťová rozhraní mohou být připojena prostřednictvím PCIe a vytvořena na základní desce. Současné procesory Intel Core 11. generace však plný potenciál specifikace s ohledem na ethernetovou konektivitu neumožňují využít.

Obr.3 COM-HPC (jpg)

Oba moduly mají rozhraní PCIe x4 Gen 4 pro připojení k periferním zařízením s extrémně velkou šířkou pásma. Kromě toho mohou vývojáři u obou modulů použít také osm linek PCIe Gen 3.0 x1. V tomto ohledu tedy neexistuje žádný rozdíl. Moduly COM-HPC však nabízejí 2× nativní připojení 2,5GbE, zatímco moduly COM Express nativně podporují pouze 1× 1GbE. Návrháři, kteří chtějí u COM Express rozšířit konektivitu, musí proto počítat s náklady na pořízení komponent základní desky, aby vytvořili stejné možnosti komunikace prostřednictvím GbE jako u modulů COM-HPC.

Oba moduly také podporují Time-Sensitive Networking (TSN) pro ethernetovou komunikaci v reálném čase. Kromě toho, že 2,5GbE je k dispozici pouze u modulů COMHPC, nejsou rozdíly týkající se PCIe a GbE v současné době nijak významné.

USB s velkou šířkou pásma a nativní podpora kamery

Specifikace COM-HPC Client navržená pro nové a rychlejší standardy USB definuje až čtyři rozhraní USB 4.0, která doplňují čtyři USB 2.0. Moduly COM Express Type 6 mohou mít až čtyři USB 3.2 a osm USB 2.0. Moduly COM-HPC Client sice mají o čtyři porty USB 2.0 méně než COM Express Type 6, nicméně nabízejí větší šířku pásma, protože přenosová rychlost USB 4.0 je 40 Gb/s.

COM-HPC nativně podporují až dvě rozhraní MIPI-CSI. Tato dvě rozhraní usnadňují integraci kamer pro mnoho typů aplikací, umožňují 3D vidění a kromě toho jsou cenově příznivá. Možnosti využití modulů se dvěma rozhraními MIPI-CSI zahrnují identifikaci uživatele, ovládání gesty nebo aplikace rozšířené reality pro údržbu. Mezi další možnosti patří videodohled, optická kontrola kvality, situační povědomí u autonomních vozidel nebo kolaborativní robotika. Rozhraní MIPI-CSI tak dále posiluje možnosti modulů COM-HPC. Například modul conga-HPC/cTLU nabízí tato dvě MIPI-CSI rozhraní. A co víc, modul conga-HPC/cTLU obsahuje – spolu s instrukční sadou procesoru x86 rozšířenou o možnosti Tiger Lake UP3 – instrukční sady pro hluboké učení a jiné metody umělé inteligence, podporu příkazů Vector Neural Network Instructions (VNNI) a až 96 výkonných jednotek nové, s procesorem integrované grafiky Intel Iris Xe (Gen 12).

COM-HPC dále nabízí dvě rozhraní SATA pro připojení tradičních SSD a HDD, spolu s průmyslovými rozhraními, jako jsou 2× UART a 12× GPIO. Výčet doplňují 2× I2C, SPI a eSPI. Celkově jsou parametry modulů COM-HPC Client v tomto ohledu srovnatelné s funkcemi modulů COM Express Type 6, jen s tím, že u modulů COM Express je navíc k dispozici podpora sběrnice CAN.

Zkušenosti ukazují, že není kam spěchat

Popsané podobnosti a rozdíly mezi COM-HPC Client a COM Express Type 6 naznačují, že většina systémů bude s moduly COM Express dobře sloužit po dobu nejméně příštích tří až pěti let. Dalším faktorem v této předpovědi je to, že COM-HPC Client nezavádí žádnou novou systémovou sběrnici. Tím se liší od předchozích změn z ISA na PCI nebo z PCI na PCI Express. U nich bylo absolutně nezbytné definovat nové rozložení pinů. Za zmínku stojí také to, že moduly COM Express nahradily moduly ETX na pozici nejprodávanějších modulů až roku 2012, tedy dobrých jedenáct let po zavedení ETX a sedm let po zavedení COM Express. A moduly ETX jsou dosud dostupné. Jednotlivé generace PCIe jsou zpětně kompatibilní, což umožňuje dlouhodobě využívat návrhy s PCIe Gen 3.0, a to i po zavedení PCIe Gen 4.0 na všech úrovních procesorů. Jsou-li tedy specifikace rozhraní a šířka pásma vyhovující, rozhodně není třeba kvapně přecházet na nový standard.

Kdo by se měl rozhodnout pro COM-HPC?

Na COM-HPC musí přejít všichni, kdo požadují od modulu nativní podporu jednoho z následujících rozhraní: USB 4.0 s plnou šířkou pásma, 2,5Gb ethernet, SoundWire nebo MIPI-CSI. Upřednostnit COM-HPC by měli také ti, kdo očekávají, že v budoucnu budou potřebovat více rozhraní PCIe, výkonnější rozhraní PCIe nebo ethernet až 25 Gb. Kromě toho mohou vývojáři vysoce výkonných systémů zvážit, zda nebude snazší a efektivnější využívat pro méně náročné systémy jen jeden standard – a tedy vše implementovat v COM-HPC. V ostatních případech se řiďte známým výrokem „nesahejte na systém, který funguje“. Třeba už proto, že COM Express může být brzy k dispozici se zcela novým konektorem kompatibilním s PCIe 4.0.

Vzdálená správa modulů pro servery pro edge computing

Součástí uvedení COM-HPC byl také plán specifikace rozhraní pro rozšíření vzdálené správy. Toto rozhraní je v současné době vyvíjeno v podvýboru Remote Management PICMG. Cílem je zpřístupnit omezenou část kompletní sady funkcí rozhraní Intelligent Platform Management Interface (IPMI) pro vzdálenou správu modulů využívaných v serverech edge computingu. Díky této nové sadě funkcí budou moci výrobci OEM a uživatelé snadno zajistit spolehlivost, dostupnost, udržovatelnost a zabezpečení (RAMS – Reliability, Availability, Maintainability and Security) na úrovni serveru. Řadič BMC (Board Management Controller) implementovaný na základní desce umožňuje rozšířit funkce vzdálené správy na jednotlivé základní desky a realizovat další systémové požadavky podle potřeby. To dává výrobcům OEM konzistentní základ pro vzdálenou správu, kterou mohou upravovat podle svých požadavků.

Závěr

Standard COM Express na stávající úrovni výpočetního výkonu a s pokračující digitalizací má před sebou skvělou budoucnost. Standard COM-HPC (High Performance Computing) dokáže uspokojit požadavky mnoha současných a budoucích aplikací náročných na výpočetní výkon, kde musí být v kompaktním zařízení zpracovávány datové toky s velkou šířkou pásma. Další informace o uvedení produktů congatec s procesory Intel Core 11. generace je možné najít na webové stránce https://congatec.com/11th-gen-intel-core/. Autorem článku je Christian Eder, ředitel marketingu ve společnosti congatec a předseda podvýboru PICMG COM-HPC. Společnost congatec je přední světová firma v segmentu počítačů Computer On Module se zákaznickou bází od start-upů po největší mezinárodní firmy. Více informací je na našich webových stránkách www.congatec.com.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik