Nadchodzi trzeci cykl wydajności komputerów modułowych

Użycie komputerów modułowych stało się najważniejszą zasadą projektowania systemów wbudowanych. Badania takie jak np. przeprowadzone przez IHS Markit wskazują, że w 2020 roku komputery modułowe będą stanowiły około 38% całkowitej sprzedaży wbudowanych płyt, modułów i systemów¹. Pierwsze moduły pojawiły się na początku roku 1990, kiedy to Hans Mühlbauer - wówczas właściciel niemieckiej firmy JUMPtec, a obecnie wciąż zaangażowany w działalność congatec AG - wprowadził pierwsze moduły ModulAT, bazujące na popularnej wówczas szynie AT/ISA96. Były one wyposażone w procesor INTEL 80C88, taktowany zegarem 9,54 MHz i oferowały 640 kB pamięci DRAM. Celem było przystosowanie biurowej technologii PC do zastosowań przemysłowych. To było coś, czego świat komputerów wbudowanych nigdy nie widział. W tamtym czasie przemysłowe komputery PC miały przeważnie postać 19-calowych stojaków. Komputer klasy przemysłowej na płytce wielkości jedynie 100×160 mm był czymś niespotykanym. W module zastosowano 120 pinów, zlokalizowanych po tej samej stronie co procesor i komponenty. W tamtych czasach procesory nie wymagały wprowadzania złożonych mechanizmów zarządzania temperaturą pracy.

Celem przyświecającym projektantom tych pierwszych modułów było również uniknięcie umieszczenia wszystkich funkcji na jednej karcie, co niwelowało problemy związane z szybkimi zmianami wynikającymi z rozwoju procesorów. W tamtych czasach Intel i AMD wypuszczały nowe procesory co sześć miesięcy. Ponieważ w tamtych czasach nie zawsze było wiadomo jak długo poprzednie rozwiązania będą wciąż dostępne, konieczne było zapewnienie dostępności komponentów w dłuższej perspektywie czasu poprzez zastosowanie modułów. Oczywiście taka skalowalność pomagała również tworzyć wiele wariantów produktu różniących się wydajnością. Kolejnym ważnym argumentem było ograniczenie złożoności projektu płyty I/O. Dzięki takiemu podejściu, płyty I/O wymagają zastosowania znacząco mniejszej ilości warstw, co obniża koszt projektowania i wytworzenia PCB. Ważne było również ograniczenie poboru mocy i ilości traconego ciepła dla każdego nowego modułu oraz - argument ostateczny - klienci zawsze chcą wykorzystywać najnowsze procesory - tak było kiedyś, tak jest również teraz. Jest to możliwe do zrealizowania za pomocą modułów.

Standard ETX i COM Express, który z niego ewoluował, są standardami komputerów modułowych, które zostały poddane standaryzacji przez niezależne instytucje, zgodnie z postępem technologicznym. Nowy, trzeci standard - COM-HPC – ma za zadanie spełnić wysokie wymagania dotyczące wydajności urządzeń, maszyn i systemów przeznaczonych do pracy z szybkimi rozwiązaniami sieciowymi i rozwiązaniami 5G

Moduły umożliwiły rozwiązanie problemu nieładu kabli

Jednakże, w porównaniu do szyny AT/ISA96, moduły ModulAT pojawiły się na rynku stosunkowo późno - w czasie, gdy wbudowane rozwiązania obliczeniowe dla trudnych zastosowań przemysłowych były wciąż bardzo niedojrzałe. Przykładowo, technologia x86 i Windows nie były jeszcze stosowane w przemyśle - te rozwiązania wciąż nie były wystarczająco stabilne (słynny problem “niebieskiego ekranu”). Pod tym względem, komputery modułowe były traktowane raczej jako wczesne “pirackie” produkty nowego, rodzącego się przemysłu, nie zaś jako odrębna generacja zdefiniowanego standardu definiującego moduł o zagwarantowanym czasie dostępności. Niemniej jednak, firma JUMPtec była firmą która otworzyła specyfikację i była pionierem globalnego biznesu modułów wbudowanych. I okazało się to sukcesem - ten trend trwa do dziś. W przypadku formatu PC/104 występował problem zbyt małej ilości miejsca na konektory jeśli musiały być montowane po tej samej stronie płytki co procesor i inne układy - był to również rozsądny argument przemawiający za wprowadzeniem modułów w połowie 1990 roku. Ponieważ klienci zaczęli wymagać większych możliwości dołączania urządzeń peryferyjnych, złącza były montowane po drugiej stronie PCB - dzięki temu możliwe było dostosowanie rozwiązań do wymagań klienta i dołączenie większej ilości urządzeń peryferyjnych. Zgodnie z zasadami projektowania stosowanymi dla standardu PC/104, do doprowadzenia sygnałów wejścia / wyjścia do obudowy, konieczne było użycie kabli. Prowadziło to do coraz większego i większego splątywania się kabli, co z kolei przekładało się na zwiększoną podatność systemu na błędy i uszkodzenia. Obecnie dobrze zaprojektowany system oznacza przejrzyste i zminimalizowane okablowanie. Zastąpienie okablowania przez możliwość dołączenia do obudowy zewnętrznych sygnałów I/O bez kabli, a jedynie dzięki zastosowaniu dedykowanej płyty, było ważnym argumentem przemawiającym za koncepcją wykorzystania modułów. Wprowadzenie pierwszych modułów ETX opracowanych przez firmę JUMPtec było przełomowym wydarzeniem dla rynku komputerów modułowych.

Trudny konkurs na najlepszą koncepcję modułu

Jednakże, aby od czegoś zacząć - format ETX dla modułów ISA/PCI, wykorzystujących 400-pinowe złącza do płyty nośnej nie miał łatwej drogi - pomimo faktu, że firma JUMPtec otworzyła specyfikację. Wiele firm i konkurencyjnych koncepcji modułów, zapamiętanych dziś jedynie przez zagorzałych zwolenników, kusiło producentów OEM porównywalnymi rozwiązaniami. Trwała zażarta walka pomiędzy różnymi dostawcami rozwiązań wbudowanych, którzy wówczas nie byli tak wielcy jak są dziś. Firmy JUMPtec i Advantech połączyły siły w listopadzie 2001 roku aby utworzyć grupę Przemysłową ETX Industrial Group (ETX-IG), która wprowadziła pierwszy, otwarty, niezależny od producenta standard modułów i utrzymała wersję, która jest obowiązująca do dnia dzisiejszego. “Przykładowo, firmy Advantech, I-Base, IBR i PCISystems opracowały alternatywne płyty ETX i szybko zapewniły ich dojrzałość rynkową. Aby zapewnić zrównoważony, ogólnoświatowy rozwój standardu ETX, konieczne było powołanie otwartego konsorcjum ETX” - wyjaśnia Mühlbauer. W przeciągu kilku miesięcy, kolejni, inni zwolennicy ETX dołączyli do konsorcjum - dostrzegli oni wszystkie korzyści płynące z wykorzystania otwartego standardu. W późniejszym czasie mnogość alternatywnych formatów znacząco się zmniejszyła z powodu rosnącego znaczenia grupy ETX-IG, jak również z powodu kolejnych fuzji i przejęć. Ostatecznie, rynek uporządkował się samodzielnie, dzięki czemu następny cykl technologii zdefiniował się sam i nowy standard dla przemysłu wbudowanych komputerów modułowych został w miarę łatwo zdefiniowany.

Ustanowienie ETX-IG przez firmę Advantech i JUMPtec na targach SPS/IPC/Drives w Norymberdze

W 2005 roku COM Express staje się oficjalnym standardem PICMG

Rozpowszechnienie wprowadzenia nowej magistrali PCI Express i wyeliminowanie obsługi ISA w nowych procesorach i innych układach wymagało opracowania nowej koncepcji w 2004 roku: produktem tej koncepcji był standard COM Express, który był stosunkowo łatwy w implementacji, pomimo tego, że jego wprowadzenie nie było całkowicie bezbolesne. W PICMG, czyli z organizacji która definiuje standard, niewątpliwie miały miejsce różne “wojny okopowe” I inne działania mające na celu opóźnienie wprowadzenia tego nowego standardu. Ostatecznie, społeczność skupiona wokół rozwiązań wbudowanych zgodziła się na zatwierdzenie standardu COM Express w PICMG, ale nie wcześniej niż w lipcu 2005 roku. Tak więc od opracowania koncepcji z firmą Intel i jej pierwszej prezentacji jesienią 2003 roku, do zakończenia standaryzacji upłynęło 18 miesięcy. Począwszy od wersji 2.0, zamkniętej w 2010 roku, aż do wersji 3.0, datowanej na 2017 rok, specyfikacja była tworzona pod nadzorem redakcyjnym Christiana Edera, który początkowo był podwładnym Mühlbauer - a w firmie JUMPtec, następnie pracował w firmie Kontron, zaś dziś pracuje w firmie congatec.

Dziś, po 14 latach od wprowadzenia przez PICMG standardu COM Express, rynek komputerów modułowych jest, jak wspomniano uprzednio, największym i najbardziej dominującym rynkiem częściowym, obsługiwanym przez wszystkich znaczących producentów rozwiązań wbudowanych, oferujących szeroki wybór modułów COM Express. Należy jednak pamiętać, że komputery modułowe w standardach ETX/XTX są wciąż oferowane, co oznacza, że pierwsza faza cyklu komputerów modułowych COM nie dobiegła jeszcze końca. Zajęło to szereg lat - dokładnie do 2012 roku - kiedy to ilość płyt w standardzie COM Express przewyższyła ilość płyt w standardzie ETX/XTX. “Nigdy nie zmieniaj zwycięskiej drużyny” - to motto, które jest popularne nie tylko na rynku wbudowanych rozwiązań obliczeniowych.

Pierwsze moduły COM Express, wdrożone do masowej produkcji w 2005 roku wykorzystywały procesor Intel Pentium M, będący prawdziwym kamieniem milowym w rozwoju procesorów przeznaczonych dla rynku rozwiązań wbudowanych

Komputery modułowe COM Express są bezkonkurencyjne

Dziś komputery modułowe COM Express są również niekwestionowanym standardem dla nowych, wbudowanych płyt nośnych, stosowanych w rozwiązaniach ze średniego i wysokiego segmentu rynku. Na ten moment nie widać również znaczących konkurentów. Nawiasem mówiąc, standard został poddany wielu “cichym” zmianom, co zaowocowało powstaniem obecnej wersji 3.0, opublikowanej w maju 2017 roku. W stosunkowo nowej specyfikacji Type 7, standard COM Express został przeznaczony do użycia we wbudowanych serwerach brzegowych, jak również dla bardzo wymagających zastosowań. Standard ten stanowi nawet bazę dla specyfikacji VITA. Alternatywne standardy modułów, takie jak Qseven i SMARC 2.0, oba obsługujące procesory bazujące na architekturze ARM, zostały zdefiniowane jedynie pod kątem zastosowania w segmencie produktów małych/pobierających małą moc. Doświadczenia z przeszłości, wykorzystane przy wprowadzaniu nowego standardu COM-HPC: od samego początku ten standard wysokowydajnej, wbudowanej platformy obliczeniowej był opracowywany w ramach PICMG, co pozwoliło uniknąć “bitew na standardy”. Nie ma lepszego otoczenia dla trzeciej generacji standardów modułów niż konsorcjum zupełnie niezależne od producentów.

Najmocniejszy serwer modułowy COM Express Type 7 jest wyposażony w procesor AMD EPYC

Nadchodzi trzecia generacja wysokowydajnych komputerów modułowych

Począwszy od października 2018 roku, grupa robocza PICMG pracuje pod przewodnictwem Christiana Edera (congatec) nad specyfikacją nowego modułu COM-HPC. Nowa specyfikacja jest pilnie potrzebna, ponieważ złącze pomiędzy płytą nośną a komputerem modułowym w standardzie COM Express nie zapewnia obsługi prędkości transmisji jakie będą wymagane dla wszystkich rodzajów nowych urządzeń Internetu Rzeczy (IoT)/korzystających z technologii 5G. Oznacza to, że globalne specyfikacje komputerów modułowych są od dekad tworzone i promowane w tych samych niemieckich grupach. Obecnie wiodącą siłą jest congatec AG, firma która zaczęła działalność w 2005 roku jako firma zajmująca się wyłącznie komputerami modułowymi. Pozwoliło to uniknąć konkurowania z własnymi klientami dostarczającymi rozwiązania systemowe. Firma ta stoi również za pomysłem utworzenia standardów Qseven i SMARC 2.0.

Szerokopasmowy Internet wymaga “szerokopasmowych komputerów”

Tak jak przy przejściu z ETX na COM Express, wprowadzenie nowych technologii magistrali prowadzi do powstania nowego standardu. Celem specyfikacji COM-HPC jest zdefiniowanie nowego standardu komputera modułowego, wykorzystywanego do realizacji szybkich obliczeń poprzez Internet szerokopasmowy. Standard ten musi być odpowiedni dla nowych, wysokoczęstotliwościowych sygnałów z magistrali PCI Express Gen 3 do Gen 5. Jednakże standard COM-HPC nie powinien być postrzegany jako standard zastępujący COM Express, tak jak standard COM Express nie zastępował standardu ETX. Jak wspomniano wcześniej, moduły ETX/XTX są wciąż dziś dostępne, co umożliwia klientom kontynuowanie prac na bazie tych samych zasad projektowych, które zostały zdefiniowane nawet 20 lat temu. Pod tym względem, nadchodzący nowy standard modułów COM-HPC dowodzi również, że podstawowe koncepcje opracowane wtedy są dziś wciąż obowiązujące. Dodatkowo, zadania związane z projektowaniem nowych procesorów stały się teraz znacznie bardziej złożone. Dlatego też, uzasadnionym jest dziś oddzielenie układów wejść/wyjść od modułu procesora poprzez zastosowanie płyty nośnej dostosowanej do konkretnego rozwiązania.

Ale dlaczego po prostu wciąż nie rozwijać standardu COM Express? Nowy standard COM-HPC nie wymaga jedynie nowego złącza - jest tam więcej funkcjonalności zgodnych z COM Express które nie są już dłużej potrzebne i muszą zostać wyrzucone za burtę. Wynika to z faktu, że nowy standard jest przewidziany do zastosowań w których wymagania znacząco przewyższają obecne nawet najwyższe parametry wydajnościowe standardu COM Express. Jednakże ogólnym celem jest zaoferowanie producentom OEM korzyści płynących z rozbudowanego ekosystemu i reputacji PICMG oraz jej standardów. Dlatego też, tak duży nacisk kładzie się na uproszczenie procesu migracji i takie jego zaprojektowanie, aby był on jak najprostszy. Z pewnością można wykorzystać duże doświadczenie zdobyte podczas procesów migracji z ETX do COM Express.

Z tych też powodów, zdefiniowane zostaną dodatkowo dwie całkowicie nowe klasy wydajności, wydajniejsze niż COM Express Type 7 i Type 6. Jedna z nich definiuje technologię serwera brzegowego, wymagającego zastosowania większej ilości interfejsów komunikacyjnych nie zaś integrowania mocnych układów przetwarzania grafiki. W zamian za to, rozwiązania tej klasy będą definiować bardzo dużą ilość rdzeni, co umożliwi konsolidację obciążenia. Druga klasa rozszerza istniejące rozwiązania wbudowane wysokiej klasy o nowe opcje wydajnościowe, których obecna specyfikacja COM Express nie obejmuje - dotyczy to również rozwiązań dotyczących grafiki. Lista obejmuje złącze USB 3.2 pracujące z prędkością 20 Gbit/s, złącze USB 4.0 pracujące z prędkością 40 Gbit/s, PCIe Gen4/5 w konfiguracjach portu ×2/×4 z re-timerem, port Ethernet pracujący z prędkościami 100/200 Gbit/s, NVMe, oraz wiele innych funkcjonalności.

Moduły COM-HPC z firmy congatec będą dostępne w dwóch klasach wydajnościowych: jako klasa “klient” i jako klasa “serwer”, tak jak standard COM Express definiuje dziś Type 6 i Type 7. Od samego początku zdefiniowano dwa rozkłady wyprowadzeń dla każdej klasy, co oznacza, że największe, najbardziej zaawansowane moduły COM-HPC będą prawdopodobnie mogły wykorzystywać nawet 8 gniazd DIMM. Rysunek wyraźnie pokazuje również identyczne położenie złącz łączących płyty dla różnych rozmiarów

Dwa razy więcej pinów i nawet 8 gniazd DIMM

Zasadniczą częścią nowej specyfikacji jest złącze. Przykładowo, złącze COM Express jest ograniczone do PCIe Gen 3.0, częstotliwość zegara wynosi 5.0 GHz, maksymalna prędkość transmisji to 8 Gbit/s. Nowe złącze umożliwia przesyłanie danych z prędkością większą niż 32 Gbit/s, co jest wystarczającą wartością dla PCIe Gen 5.0. Dodatkowo, dostępne są nawet 64 połączenia PCIe do płyty nośnej - wystarczająco dużo, aby dołączyć wiele mocnych urządzeń zewnętrznych - np. do uczenia maszynowego. Dla porównania - standard COM Express umożliwia wykorzystanie maksymalnie 32 połączeń. Wydajność standardu COM Express, ograniczona obecnie do 10 Gb sygnału Ethernet na jedną parę sygnału, zostanie zwiększona do przynajmniej 25 Gb sygnału Ethernet na jedną parę sygnału, co umożliwi przesyłanie danych z prędkością nawet 100 Gb. Nowe generacje procesorów przeznaczone do najbardziej wymagających zadań obliczeniowych wymagają również zapewnienia większej ilości wzajemnych połączeń niż uprzednio. Konieczne jest również zapewnienie większej przestrzeni na gniazda DIMM. Zgodnie z dzisiejszymi założeniami, możliwe będzie użycie nawet 8 gniazd DIMM. Połączenie z płytą nośną będzie realizowane z wykorzystaniem 800 pinów. Standard COM Express zakłada użycie jedynie 440 pinów.

Opracowywanie nowych standardów to nie jest łatwa sprawa, nawet jeśli tak się wydaje. Na przykład wzrost złożoności wynikający tylko ze zwiększenia częstotliwości sygnałów jest ogromny. Jako przykład: firmy congatec i Samtec przez 2 pełne lata pracowały wspólnie nad wymaganiami i testami dotyczącymi złącza COM-HPC, aby mieć możliwość wykorzystywania modułów o maksymalnej mocy 300 W. Jednakże, do połowy października 2018 wciąż nie było powołanej grupy roboczej w obrębie PICMG. To pokazuje, ile niewidocznej pracy było już wykonane, co umożliwiło przyspieszenie procesu podejmowania decyzji w grupie roboczej.

Kiedy moduły COM-HPC będą dostępne?

Firmy zaangażowane w proces standaryzacji zapewne w tajemnicy wstrzymują oddech mając nadzieję, że proces nie zostanie zablokowany w strukturach PICMG, tak jak miało to miejsce w przypadku standardu COM Express. Sukces zależy w dużej mierze od tego, aby żadna firma samodzielnie nie wybijała się do przodu. Dlatego też, cała społeczność dyskretnie powstrzymuje się od wszelkich publicznych ogłoszeń. Ale działy rozwoju pracują z pełną prędkością nad pierwszymi prototypami opartymi o najnowsze technologie procesorowe, które producenci półprzewodników, tacy jak np. Intel, udostępniają w ramach programów wczesnego dostępu. Pierwsze gotowe do produkcji moduły COM-HPC z firmy congatec prawdopodobnie będą dostępne na początku 2020 roku, oczekuje się wtedy również wprowadzenia kolejnych generacji produktów. Będzie to trwało tyle samo czasu jak w przypadku COM Express. Tak więc powinno to być możliwe.

Dan Demers

Dan Demers jest Dyrektorem Sprzedaży i Marketingu w firmie congatec, Inc., odpowiada za rynki amerykańskie. Jest absolwentem studiów z zakresu Biznesu Międzynarodowego, które ukończył na Uniwersytecie Stanowym Grand Valley, Grand Rapids, Michigan. Jest również absolwentem programu M.B.A, który ukończył na Uniwersytecie Ashford University, Clinton, Iowa.