Noile procesoare Intel Xeon, Core și Celeron (nume de cod “Tiger Lake-H”) își pot exploata întregul potențial de performanță pe modulele COM-HPC. Faptul că acestea sunt disponibile la congatec, lider de piață în materie de module, marchează, de asemenea, o nouă eră a dezvoltării sistemelor bazate pe computere pe module (COM).
Figura 1: Modulele COM-HPC cu procesoare din generația Tiger Lake-H oferă aplicațiilor edge un uriaș spor de performanță. © congatec ▶
Odată cu disponibilitatea celei de-a 11-a generații de procesoare Intel Core vPro, Intel Xeon W-11000E și Intel Celeron pe modulele COM-HPC, diferența de performanță dintre COM-HPC și COM Express devine mai evidentă decât era atunci când au fost lansate primele module COM-HPC cu procesoarele Tiger Lake-U, care sunt optimizate pentru aplicații mobile. În acest caz, valoarea adăugată adusă de COM-HPC se limitează la un număr relativ mic de interfețe pe care modulul COM-HPC le are în plus față de omologul său COM Express. Însă, cu noile module client COM-HPC conga-HPC/cTLH COM-HPC, avantajul lățimii de bandă oferit de COM-HPC se pune în valoare mult mai mult.
Mai multă lățime de bandă
Pentru conectarea perifericelor cu lățime de bandă masivă, modulele COM-HPC suportă 20 de benzi PCIe Gen 4 (x16 și x4), în timp ce variantele COM Express execută 16 benzi PCIe Gen 4 prin PEG. În plus, dezvoltatorii pot utiliza 20 de benzi PCIe Gen 3.0 pentru COM-HPC; cu modulul COM Express, sunt opt. Pentru a susține NVMe-SSD ultrarapid, modulul COM-HPC oferă, de asemenea, o interfață PCIe x4 la placa de bază. Modulele COM Express trebuie să implementeze NVMe-SSD pe placă pentru o utilizare optimă a tuturor benzilor native Gen 4 suportate de noul procesor. Cu 44 de benzi PCIe în total, noile module COM-HPC execută aproape de două ori mai multe decât modulul COM Express, care epuizează întreaga lățime de bandă de 24 de benzi. În treacăt fie spus, 49 de benzi sunt posibile cu COM-HPC.
Figura 2: Dezvoltatorii pot utiliza un număr semnificativ mai mare de interfețe pe modulele client COM-HPC decât pe modulele COM Express Type 6. © congatec
COM-HPC extinde și mai mult acest avantaj al lățimii de bandă cu alte interfețe. De exemplu, actualul modul COM-HPC Tiger Lake-H oferă două interfețe USB 4.0, care nici măcar nu sunt definite cu COM Express, la același număr total de porturi USB. Modulele COM-HPC oferă, de asemenea, 2x 2,5 GbE pentru rețea, în timp ce modulele COM Express execută doar 1x 2,25 GbE; cu toate acestea, ambele serii de module suportă Intel TCC și rețele sensibile la timp (TSN) pentru timp real. Dar tocmai pentru infrastructurile în rețea, al doilea port Ethernet nativ oferit de COM-HPC este foarte convenabil, deoarece permite implementarea unei topologii în inel fără nicio altă logică – acest lucru este foarte avantajos pentru aplicațiile Ethernet industriale, deoarece este nevoie de mai puțină cablare decât în cazul topologiilor în stea.
Multitasking la marginea rețelei (edge)
Totodată, cu acest plus semnificativ de interfețe, potențialul modulelor client COM-HPC este departe de a fi epuizat, deoarece în prezent, 40 din cei 800 de pini nu sunt încă atribuiți, în timp ce COM Express, cu cei 440 de pini, se apropie de limitele de performanță. Așadar, viitorul aparține modulelor COM-HPC, acolo unde cerințele privind tehnologia computerului încorporat precum și numărul de interfețe necesare sunt în creștere. În afară de acest aspect, atât modulele COM-HPC, cât și modulele COM Express pot beneficia foarte mult de noua tehnologie de procesoare Intel din generația Tiger Lake-H, actualul punct de referință în segmentul de produse destinate aplicațiilor de calcul embedded la marginea rețelei.
Noile module cu până la opt nuclee de procesor puternice, cu viteze de ceas de până la 4,7 GHz, permit o creștere de până la 65% a performanței multithreaded și o creștere de până la 32% a performanței single-threaded față de versiunile anterioare. Această creștere a performanțelor este susținută de o memorie RAM DDR4 SO-DIMM de până la 128 GB cu 3200 MT/s și ECC opțional cu COM-HPC. În prezent, COM Express oferă până la 96 GB. În plus, sarcinile de lucru intensive de vizualizare-, sunet- și grafică- înregistrează o creștere de până la 70% a performanței față de modelele anterioare, pentru experiențe mult îmbunătățite.
Aplicații diverse
Figura 3: Modulul COM-HPC conga-HPC/cTLH suportă și proiecte Thunderbolt 4.0. © congatec
Aplicațiile emblematice care profită direct de performanța îmbunătățită a GPU-ului pot fi găsite în tehnologia ‘edge computing’ pentru chirurgie, imagistică medicală și e-health. Pentru o diagnosticare optimă, noile platforme de la congatec suportă chiar și videoclipuri 8K HDR. În combinație cu capabilitățile de inteligență artificială ale platformelor și cu setul cuprinzător de instrumente Intel OpenVINO, se asigură medicilor acces ușor și o perspectivă prin intermediul datelor de diagnosticare bazate pe învățare profundă. Dar acesta este doar unul dintre avantajele oferite de unitatea grafică integrată Intel UHD, care suportă și până la patru display-uri 4K independente. De asemenea, poate procesa și analiza până la 40 de fluxuri video HD la o rezoluție de 1080p/30fps în paralel – și, prin aceasta, poate să ofere vizualizări la 360 de grade în toate direcțiile. Aceste performanțe de viziune masivă susținute de AI sunt importante și pentru multe alte piețe – inclusiv pentru automatizări, procesarea automată a imaginilor pentru inspecția calității în mediile de producție și securitatea în spațiile publice și în orașe. Alte aplicații sunt roboții colaborativi și vehiculele autonome în sectoarele logisticii, agriculturii, construcțiilor și transportului public. Pentru aceste aplicații, sunt disponibile și variante ale noilor procesoare care sunt proiectate chiar și pentru temperaturi extreme de la -40 până la +85°C.
Figura 4: Gata de utilizare: Kitul de start congatec validat din punct de vedere funcțional, cu placă-suport (carrier board) de evaluare și soluție de răcire, este deja disponibil. © congatec
Accelerator AI integrat
Algoritmii de inteligență artificială și de inferență bazată pe învățare profundă pot fi, de asemenea, executați fără probleme, fie într-un mod masiv paralel pe GPU-ul integrat, fie și pe CPU cu ajutorul funcției integrate Intel Deep Learning Boost, care combină trei instrucțiuni într-una singură pentru a accelera procesarea inferențelor și recunoașterea situațiilor. Principalele domenii de aplicare a inteligenței artificiale în industrie sunt, în primul rând, mentenanța predictivă, asigurarea calității, optimizarea proceselor de fabricație și optimizarea lanțului de aprovizionare. Pentru aceasta, congatec susține, de asemenea, un ecosistem complet cu camere și software adecvat de procesare a imaginilor de la producători precum Basler sau Matrix Vision.
În plus, PICMG lucrează în prezent la funcții de siguranță integrate pentru noile platforme COM-HPC Client și COM Express Type 6. Acestea sunt importante atât pentru funcționarea în condiții de siguranță a vehiculelor și roboților mobili, cât și pentru mașinile staționare. Deoarece suportul în timp real este o necesitate pentru aceste tipuri de aplicații, modulele congatec suportă sisteme de operare în timp real, cum ar fi Real Time Linux și Wind River VxWorks. De asemenea, acestea oferă suport nativ pentru hipervizorul RTS de la Real-Time Systems, pe care Intel îl susține, totodată, în mod oficial. Pentru clienți, rezultatul este un ecosistem complet, cu, probabil, cel mai extins suport posibil. Alte caracteristici în timp real sunt Intel Time Coordinated Computing (Intel TCC) și time-sensitive networking (TSN) pentru gateway-uri IIoT/Industry 4.0 și dispozitive de calcul periferic (edge) conectate în rețea în mod determinist. Funcțiile de securitate îmbunătățite, cum ar fi Intel Total Memory Encryption (TME) și Intel Boot Guard, ajută la protejarea sistemelor împotriva atacurilor și, în plus, fac din aceste platforme candidații ideali pentru toate tipurile de aplicații critice ale utilizatorilor din fabrici și de la companiile de utilități. Intel Total Memory Encryption criptează conținutul memoriei, astfel încât datele din memoria principală să nu poată fi citite de persoane neautorizate, de exemplu, prin atacuri de tip ‘cold boot’. Intel Boot Guard asigură că, la pornirea sistemului, nu se încarcă nimic în afară de firmware-ul validat.
Suport Thunderbolt
Figura 5: Modulele COM Express clasice cu a 11-a generație de procesoare Intel Core vor fi, desigur, disponibile în continuare. © congatec
În pofida complexității lor crescânde, proiectele pot fi simplificate considerabil în funcție de aplicație. Tehnologia Thunderbolt a fost dezvoltată în acest scop și este susținută nativ de congatec pe noile sale module și plăci suport (carrier) din Gen 4 deja integrată în procesoare. Avantajul Thunderbolt este că această specificație suportă protocoalele USB, DisplayPort, PCIe și rețeaua Thunderbolt cu 10 Gigabit Ethernet, precum și funcțiile de încărcare prin intermediul aceluiași cablu. În versiunea 4, porturile au o lățime de bandă bidirecțională de înaltă performanță de 40 Gbps și – ceea ce este, de fapt, nou – cel puțin 32 Gbps PCIe. Gen 3 avea nevoie doar de 16 Gbps. La acestea se adaugă suportul pentru patru ecrane 4K sau unul cu rezoluție 2x 8K. Prin urmare, dispozitivele mobile pot fi conectate foarte ușor la stațiile de andocare și pot utiliza mai multe periferice, de la monitoare, tastaturi, mouse-uri și hard disk-uri până la rețea. Protecția VT-d DMA ajută la reducerea riscurilor de securitate cauzate de amenințările externe prin devierea solicitărilor de la dispozitivele externe și verificarea drepturilor de acces corecte. Provenită din segmentul IT, această interfață a fost dezvoltată, printre altele, pentru împătimiții de jocuri. Unul dintre cele mai frecvente cazuri de utilizare de tip ’embedded computing’ este cel al aplicațiilor cu mai multe ecrane, unde simpla conectare a unor ecrane separate sau a unor ecrane tactile prin intermediul unui singur cablu este absolut suficientă. Acestea pot fi găsite astăzi în aproape toate interfețele grafice – de la PC-uri medicale și HMI-uri industriale și PC-uri panou până la aplicații de semnalizare digitală și jocuri de cazino. Producătorii de echipamente originale le folosesc, de asemenea, pentru soluții de andocare în vehicule comerciale, pentru sisteme modulare de testare și măsurare sau pentru aplicații la patul bolnavului în ingineria biomedicală, în care mai multe dispozitive de monitorizare a semnelor vitale pot fi conectate la un sistem de monitorizare.
Funcții de management la distanță
În conformitate cu specificația COM-HPC, noile module COM-HPC de la congatec nu se limitează doar la a suporta noua interfață de management a platformei PMI (Platform Management Interface) a PICMG (COM-HPC PMI). Deoarece, în prezent, acestea sunt încă module neadministrate (M.U. – unmanaged module), ele pot fi gestionate fără probleme în acest cadru de plăcile de bază administrate (C.M. – managed carrier boards). congatec pregătește deja implementările corespunzătoare Redfish și IPMI pentru plăcile de bază. Noile module suportă, de asemenea, tehnologia Intel Active Management, care oferă posibilități puternice de management de la distanță, ca parte integrantă a suportului de procesor. Printre aceste instrumente se numără KVM over IP (transmiterea de semnale de tastatură, video și mouse prin conexiuni IP), oprirea și pornirea controlată de la distanță, un ceas hardware de alarmă și redirecționarea pornirii. Cu management ‘out-of-band’, centrele de control pot gestiona și repara mai bine sistemele periferice distribuite, chiar dacă dispozitivul în sine este oprit sau dacă sistemul de operare nu răspunde. Aceste posibilități sunt, de asemenea, extrem de utile pentru sistemele embedded instalate în locuri greu accesibile, pentru PC-urile industriale din medii periculoase sau pentru sistemele POS din magazinele de retail care sunt oprite după închiderea magazinului.
Conceptul ‘Computer-on-Module’
Fie că este vorba de computere pe module COM Express sau COM-HPC – ambele standarde PICMG au propriile avantaje unice pentru sistemele embedded și de margine (edge) utilizate în loturi industriale. De aceea, conform cifrelor de piață de la IHS Markit, ‘Computer-on-Modules’ reprezintă cel mai răspândit concept de design embedded – devansând chiar plăcile embedded clasice, cum ar fi Mini-ITX sau computerele pe o singură placă (SBC) de 3,5 inchi.
Imensa popularitate a conceptelor de sisteme embedded bazate pe module se datorează combinației reușite dintre flexibilitatea proiectelor adaptate la nevoile specifice ale clienților prin intermediul unei plăci de bază (carrier) ușor de dezvoltat și a unui modul complet dezvoltat, ușor de implementat, care vine cu toate driverele și firmware-ul necesar, gata de utilizare. Fiind supercomponente, acestea integrează în special toate componentele critice, cum ar fi CPU, memoria principală și interfețele de mare viteză, precum și unitatea grafică, într-un pachet complet validat din punct de vedere funcțional. Astfel se realizează o economie imensă în ceea ce privește costurile de proiectare în comparație cu dezvoltarea complet personalizată și se accelerează foarte mult timpul de lansare pe piață. Faptul că modulele COM (computer-on-modul) care aparțin aceluiași standard sunt interschimbabile în mod flexibil între generațiile de procesoare și interfețele producătorilor este, de asemenea, avantajos. Astfel, producătorii de echipamente originale își pot scala în mod flexibil soluțiile și le pot actualiza în continuare cu cea mai recentă tehnologie de procesor chiar și după ce au trecut mulți ani. Deoarece factorii de formă standardizați ai modulelor sunt susținuți de mai mulți producători, strategiile furnizorilor pot fi implementate foarte ușor și se obțin avantaje în ceea ce privește prețurile și, mai ales, asigurarea disponibilității. Una și aceeași organizație independentă de producători, PICMG, este responsabilă pentru standardizarea atât a modulelor COM Express, cât și a modulelor COM-HPC. Astfel, se asigură continuitatea acestor standarde complementare și, deja, odată cu lansarea COM-HPC, se creează baza de încredere necesară pentru a permite trecerea la acest factor de formă imediat ce primele module COM-HPC devin disponibile. În consecință, datorită COM-HPC, securitatea proiectării este un dat de la bun început. Acesta este motivul pentru care este logic să se implementeze noi proiecte cu COM-HPC pentru performanțe ‘edge’ multifuncționale.
Autor
Andreas Bergbauer, COM-HPC Product Line Manager la congatec
