După ETX/XTX și COM Express, industria computerelor pe modul (COM) este pe cale să introducă un nou standard, care va permite dezvoltarea de soluții caracterizate de nivelul de performanță cerut de aplicațiile curente. Denumit COM-HPC, noul standard definește un nou factor de formă și este ratificat, în prezent, de un grup de lucru al PCIMG, care include numeroase companii, inclusiv congatec. Schimbul de date în timp real la viteză foarte mare va fi principalul sector de aplicare, stimulat de introducerea progresivă a tehnologiei 5G. În orice caz, toți cei care utilizează standardele anterioare ale modulului COM nu trebuie să se îngrijoreze cu privire la disponibilitatea soluțiilor lor, deoarece fiecare tranziție durează, iar produsele bazate pe standardele existente vor fi pe piață pentru mulți ani de acum încolo.
Figura 1: ETX, iar apoi COM Express evoluat din acesta, sunt două specificații Computer-on-Module standardizate de organisme independente, în conformitate cu progresul tehnologic. Odată cu lansarea COM-HPC, a fost adăugat un al treilea standard al cărui obiectiv este să satisfacă cerințele de înaltă performanță ale dispozitivelor, mașinilor și sistemelor conectate de bandă largă și 5G. (© congatec)
De la introducerea lor, modulele COM s-au stabilit ca soluție de bază pentru dezvoltarea sistemelor de calcul embedded. Conform studiilor de piață, precum cel realizat de IHS Markit, modulele COM au reprezentat aproximativ 38% din vânzările totale de sisteme, module și plăci de procesare embedded până în 2020*. Primele module au apărut la începutul anilor 1990, când Hans Mühlbauer – pe atunci proprietarul companiei germane JUMPtec, astăzi, încă implicat în activitățile congatec AG – a lansat primele plăci ModulAT bazate pe magistrala AT/ISA96, foarte răspândită, pe atunci. Acestea erau echipate cu procesorul Intel 80C88, care opera la 9,54 MHz și dispunea de 640 KBaiți de memorie DRAM. Scopul a fost de a face ca tehnologia utilizată pentru dezvoltarea PC-urilor pentru aplicații de birou să fie adecvată și pentru utilizarea în sectorul industrial. A fost o premieră în lumea computerelor embedded. În acele vremuri, computerele pentru aplicații industriale erau de obicei disponibile sub formă de sisteme rack de 19”. Un computer potrivit pentru uz industrial, construit pe o placă de numai 100 × 160 mm era, atunci, o idee greu de imaginat. Modulul în cauză avea 120 de pini poziționați pe aceeași parte a procesorului și a componentelor, în timp ce nu era necesar un sistem de management termic deosebit de complex pentru procesoare.
Figura 2: Primele module ModulAT de la JUMPtec se bazau pe populara magistrală AT/ISA96 și erau echipate cu procesorul Intel 80C88, care opera la 9,54 MHz și avea 640 KB de memorie DRAM. (© congatec)
Scopul acestor prime module a fost de a evita integrarea tuturor funcțiilor într-o singură placă, pentru a încerca să „contracareze” ciclurile de inovație care caracterizau unitățile centrale de procesare. Pe atunci, Intel și AMD lansau noi procesoare la fiecare șase luni. Deoarece nu era posibil să se știe cât timp vor fi disponibile pe piață procesoarele mai vechi, au trebuit să fie utilizate modulele pentru a se asigura disponibilitatea pe termen lung, tipică aplicațiilor industriale. Desigur, această scalabilitate a făcut posibilă crearea de versiuni, care diferă între ele în ceea ce privește performanța. Un alt argument important a fost și cel legat de reducerea complexității proiectării plăcilor I/O. De regulă, plăcile I/O necesită semnificativ mai puține layere, rezultând o reducere a costului PCB-ului. Modalitatea prin care s-au redus consumul de putere și cantitatea de căldură care trebuia disipată, în raport cu fiecare modul, a jucat un rol foarte important în acele zile. În plus, utilizatorii au dorit întotdeauna să aibă acces la cele mai recente procesoare – o cerere care a rămas neschimbată până în prezent. Datorită modulelor, această nevoie poate fi asigurată fără probleme.
Rezolvați problema cablurilor cu ajutorul modulelor
Comparativ cu magistrala AT/ISA96, modulele ModulAT au apărut pe piață destul de târziu, deoarece procesarea embedded destinată aplicațiilor industriale în medii dure făcea primi pași. Arhitectura x86 și sistemul de operare Windows, de exemplu, nu erau, încă, implementate în industrie, iar lupta împotriva ‘ecranului albastru’ (o indicație a unei erori critice de sistem) era încă în plină desfășurare. În această privință, modulele arătau mai degrabă ca niște produse-pirat ale unei industrii nou apărute, decât ca pionierii care ar marca începutul ciclului de viață al unei întregi generații de standarde de module destinate să se stabilească în timp. Cu toate acestea, JUMPtec a fost compania care a pus la dispoziția publicului specificațiile și a fost un pionier al comercializării modulelor la nivel global. Și s-a dovedit a fi un succes, așa cum arată evoluțiile de astăzi. SBC-urile în format PC/104, care ofereau prea puțin spațiu pentru conectori, dacă erau montați pe aceeași parte a procesorului și a chipset-ului, au contribuit la consolidarea validității conceptului de modul la mijlocul anilor 1990. În fața unei cereri de conectivitate din ce în ce mai mare, conectorii au fost montați de utilizatori pe cealaltă parte a PCB-ului pentru a conecta și mai multe periferice. Principiul de proiectare pe care se bazează PC/104 este acela de a utiliza cabluri pentru a direcționa I/O către carcasă. Acest lucru a dus la încurcături din ce în ce mai complicate ale cablurilor, rezultând o șansă crescută de a introduce erori la nivelul întregului sistem. În acele vremuri, un sistem de cablare „curat și ordonat” era o cerință importantă în proiectarea sistemului. Din acest motiv, ideea realizării unei conexiuni la I/O externe printr-o placă carrier specifică aplicației a reprezentat unul dintre punctele forte ale conceptului de modul. Lansarea primelor module în format ETX dezvoltate de JUMPtec a marcat un adevărat moment de cotitură pentru piața computerelor pe modul (COM).
Concurs dificil pentru cel mai bun concept de modul
Figura 3: Înființarea asociației ETX-IG de către Advantech și JUMPtec la expoziția SPS/IPC/Drives din Nürnberg. (© congatec)
Factorul de formă ETX pentru acele module bazate pe ISA/PCI cu conectori pentru plăci carrier cu 400 de pini nu a venit ușor, în ciuda faptului că JUMPtec a pus la dispoziție specificațiile. Mai multe companii și concepte de module diferite și concurente (acum amintite doar de câțiva nostalgici) au încercat să atragă atenția OEM-urilor cu soluții similare. Concurența dintre producătorii de sisteme de procesare embedded, a căror dimensiune în acele zile nu era comparabilă cu cele de astăzi, a fost deosebit de acerbă. În noiembrie 2001 JUMPtec și Advantech au convenit să înființeze ETX Industrial Group (ETX-IG), care a introdus primul standard deschis, independent de producător și a menținut o versiune valabilă și astăzi. „Advantech, I-Base, IBR și PCISystems, de exemplu, au dezvoltat plăci ETX alternative, care au atins rapid stadiul de maturitate. Pentru a asigura o dezvoltare uniformă a standardului ETX, la nivel mondial, a fost necesar să se înființeze un consorțiu ETX”, explica atunci Mühlbauer. În câteva luni, cei mai importanți producători de sisteme ETX s-au alăturat consorțiului, conștienți de avantajele derivate din disponibilitatea unui standard deschis. Ulterior, numărul mare de factori alternativi de formă a fost redus semnificativ, atât din cauza importanței tot mai mari a ETX-IG, cât și a fuziunilor și achizițiilor între companii din sector. În cele din urmă, ETX sa impus ca standard de aur pentru următorul ciclu tehnologic din industria modulelor.
COM Express devine în 2005 un standard PICMG oficial
Figura 4: Primele module COM Express au fost lansate în producția de serie în 2005 și au fost echipate cu procesorul Intel Pentium M, o adevărată piatră de hotar pentru piața de sisteme de calcul embedded. (© congatec)
Introducerea pe scară largă a noii magistrale PCI Express și eliminarea suportului pentru magistrala ISA în noile procesoare și chipset-uri sunt factorii care au condus, în 2004, la dezvoltarea unui nou concept: COM Express. Deși relativ mai simplu, procesul de introducere a întâmpinat obstacole generate de unele lupte interne în cadrul consorțiului care trebuia să susțină noul standard – PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group). Totuși, comunitatea embedded a ajuns, în cele din urmă, la un acord, iar în iulie 2005, COM Express s-a alăturat oficial standardelor PICMG. Prin urmare, a fost nevoie de 18 luni pentru a ajunge la standardizare, de la prima prezentare a acestui concept, în colaborare cu Intel, în toamna anului 2003. Începând cu revizuirea 2.0, în 2010 și până la revizuirea 3.0 din 2017, specificația a fost dezvoltată sub conducerea editorului de proiecte Christian Eder, care a lucrat inițial pentru Mühlbauer la JUMPtec, mai târziu la Kontron, iar acum la congatec.
Astăzi, la 16 ani de la lansarea COM Express de către PICMG, piața Computer-on-Module este, așa cum s-a menționat anterior, cea mai mare și cea mai dominantă piață de procesare embedded, unde toți producătorii majori de computere embedded oferă o mare varietate de module COM Express. Acestea fiind spuse, modulele ETX/XTX încă se află în oferta producătorilor, ceea ce înseamnă că primul ciclu de module COM nu este încă finalizat. Mai mult, au fost necesari câțiva ani, până în 2012, pentru ca modulele COM Express să depășească numeric modulele ETX/XTX, în termeni cantitativi. „ Echipa câștigătoare nu se schimbă” este un motto răspândit nu numai în în piața computerelor embedded.
Modulele COM Express nu au rival
Figura 5: Cel mai puternic Server-pe-modul COM Express Type 7 de până acum este echipat cu procesoare din seria AMD EPYC. (© congatec)
În prezent, modulele COM Express reprezintă standardul de referință pentru dezvoltarea de noi modele de plăci carrier embedded pentru aplicații de nivel mediu/înalt. Și nu se vede niciun rival la orizont. De altfel, standardul a suferit numeroase revizuiri, niciodată prea mediatizate, până la versiunea actuală 3.0, care a fost publicată în mai 2017; acesta este, cu siguranță, un element în favoarea validității acestui standard. Datorită specificațiilor relativ noi ale pinout-ului Type 7, standardul COM Express poate fi utilizat pentru serverele de margine (edge) embedded, iar pentru aplicații în condiții extreme de operare este folosit chiar ca bază pentru specificațiile definite de VITA. Standardele alternative pentru module, cum ar fi Qseven și SMARC 2.0, care ambele suportă procesoare de aplicații bazate pe ARM, s-au stabilit exclusiv în segmentul de putere redusă/factor de formă mic (SFF). Pentru dezvoltarea standardului pentru modulele COM-HPC, lecțiile din trecut au fost prețuite: de la început, acest standard pentru procesarea embedded de înaltă performanță a fost dezvoltat în cadrul PICMG, pentru a evita pe cât posibil conflictele între diferiții producători de module. Nu există un ecosistem mai potrivit pentru această a treia generație de standarde de module decât cel pus la dispoziție de un consorțiu, independent de orice furnizor.
A treia generație de module COM de înaltă performanță a fost lansată oficial
Din octombrie 2018, grupul de lucru PICMG, aflat sub supravegherea lui Christian Eder de la congatec, a început activitatea de definire a specificațiilor pentru modulul COM-HPC, aceasta fiind destul de urgentă datorită conectorului plăcii COM Express, care nu mai putea suporta o lățime de bandă mare și un bus de comunicație de înaltă frecvență, necesare pentru toate noile tipuri de dispozitive conectate la IoT/5G. La 24 februarie 2021, standardul a fost lansat oficial de PICMG.
Internetul de bandă largă are nevoie de computere de bandă largă
La fel cum s-a întâmplat cu tranziția de la ETX la COM Express, introducerea noilor tehnologii de bus a dus la apariția unui nou standard. Scopul specificației COM-HPC este de a crea un nou standard pentru modulele COM pentru aplicații de procesare de bandă largă pe internet de bandă largă, care să fie adecvat pentru suportarea semnalelor de înaltă frecvență ale interfețelor PCI Express Gen 3 până la 5. În orice caz, COM-HPC nu trebuie văzut ca un înlocuitor al standardului COM Express, la fel cum COM Express nu a fost un înlocuitor al standardului ETX. Așa cum s-a menționat mai devreme, modulele ETX/XTX sunt încă disponibile, astăzi, permițând clienților să-și continue munca urmând aceleași principii de proiectare, chiar și după 20 de ani. În acest sens, noul standard pentru modulele COM-HPC este, de asemenea, o dovadă că principiile de bază valabile atunci sunt valabile și astăzi. În plus, activitățile asociate cu integrarea noilor procesoare au devenit mult mai complexe, motiv pentru care, astăzi, are și mai mult sens trecerea I/O de la modulul procesor printr-o placă carrier specifică aplicației.
Dar de ce nu continuăm să dezvoltăm, pur și simplu, COM Express? Răspunsul este simplu: noul standard COM-HPC nu necesită doar un nou conector; există mai multe funcții vechi COM Express, care nu mai sunt necesare și la care ar trebui să renunțăm. Acest lucru se datorează faptului că noul standard vizează aplicații cu cerințe cu mult peste clasa actuală de performanță COM Express. Scopul general este de a oferi OEM-urilor beneficiile unui ecosistem larg și reputația PICMG (și a standardelor sale), motiv pentru care simplitatea migrării este o prioritate.
Figura 6: Modulele COM-HPC de la congatec vor fi disponibile în două versiuni care diferă în ceea ce privește performanța: versiunea client și versiunea server, ca și în cazul COM Express Type 6/7 de astăzi. Încă de la început, COM HPC Server dispune de două amprente, iar modulele COM-HPC Client suportă trei dimensiuni diferite. În imagine se observă că poziția conectorilor pentru conectarea plăcilor este identică pentru cele două versiuni. (© congatec)
Din aceste motive, vor exista două versiuni cu clase de performanță de generație nouă, complet superioare specificațiilor COM Express Type 7 și Type 6. Una vizează tehnologia serverului de margine (edge), care necesită mai multe interfețe de comunicație în loc de capabilități puternice de procesare grafică și va avea un număr mare de nuclee pentru consolidarea volumului de muncă. Cealaltă, urmărește extinderea și îmbunătățirea resurselor de procesare tipice aplicațiilor high-end cu noi opțiuni care vor permite performanțe pe care COM Express nu le poate oferi, chiar și în ceea ce privește grafica. Lista include USB 3.2 cu 20 Gbit/s, USB 4.0 cu 40 Gbit/s, PCIe Gen4/5 cu configurare a portului x2/x4 și re-temporizare, Ethernet 100/200 Gbit/s, NVMe și multe altele.
De două ori mai mulți pini și până la 8 socluri DIMM
Un element esențial al noii specificații este conectorul. COM Express, de exemplu, este limitat la PCIe Gen 3.0 cu viteze de ceas de 5,0 GHz și viteze de transfer de date de 8 Gbit/s. Noul conector suportă rate de transfer mai mari, de 32 Gbit/s, potrivite pentru interfețele PCIe Gen 5.0. În plus, acum sunt furnizate până la 64 de benzi (lanes) PCIe către placa carrier – ceea ce este suficient pentru a conecta un număr mare de GPGPU-uri (adică GPU-uri utilizate pentru sarcini de procesare cu scop general) pentru a fi utilizate în aplicații de învățare automată, de exemplu. COM Express, la rândul său, suportă maximum 32 de benzi. Performanța oferită de COM Express, limitată în prezent la 10 Gb Ethernet per pereche de semnal, va fi mărită la 25 Gb Ethernet per pereche de semnal, pentru a garanta suportul conexiunilor Ethernet de 100 Gb. Noile generații de procesoare pentru aplicații de calcul de margine necesită, disponibilitatea unui număr mare de conexiuni, precum și mai mult spațiu pentru soclurile DIMM decât era posibil anterior. Specificațiile actuale permit până la 8 socluri DIMM și 800 de pini pentru placa carrier; COM Express are doar 440 de pini.
Dezvoltarea unui nou standard nu este o sarcină ușoară, chiar dacă unii ar putea crede acest lucru. Nivelul de complexitate care decurge doar din creșterea frecvenței semnalului este, deja, enorm. Pentru a da un exemplu: congatec și Samtec lucrează împreună de doi ani la specificarea și testarea conectorului COM-HPC, pentru a putea suporta module de până la 300W. Cu toate acestea, grupul de lucru PICMG a fost înființat abia în octombrie 2018. Aceasta este o mărturie clară a efortului de muncă depus anterior, datorită căreia a fost posibilă accelerarea procesului decizional al acestui grup de lucru.
PICMG – O echipă puternică
PCI Industrial Computer Manufacturers Group, pe scurt, PICMG, este un consorțiu format din peste 140 de companii, care dezvoltă împreună specificații fără brevete pentru aplicații industriale și telecomunicații de înaltă performanță. Membrii consorțiului sunt, în cea mai mare parte, pionieri în tehnologie, cu mulți ani de experiență în dezvoltarea industriilor lor. În prezent, grupul dezvoltă specificația COM-HPC care definește o arhitectură deschisă (open architecture) pentru următoarea generație de module COM (computer-on-module). Companiile implicate în dezvoltarea specificației COM-HPC includ Adlink, congatec și Kontron, ca sponsori ai grupului de lucru, precum și Acromag, Advantech, AMI, Amphenol, Elma Electronic, Emerson Machine Automation Solutions, Ept, Fastwel, HEITEC, Intel, MEN, MSC Technologies, NAT, nVent, Samtec, Seco, TE Connectivity, Trenz Electronic, University Bielefeld, VersaLogic Corp. Președintele grupului este Christian Eder de la congatec.
