モジュラーシステム設計のCOM-HPC標準を理解する

オープンでメーカーに依存しないComputer-on-Module標準により、アプリケーションのライフサイクルは数十年になります。このフォームファクタは純粋にレガシーバスに基づいているという事実にもかかわらず、OEMは今日でも新しいETXモジュールを購入できます。下位互換性のおかげで、PCIeに基づく標準はさらに長くなります。

COM-HPCサーバーは、過酷な環境向けのモジュラー組み込みラックサーバーおよびボックスサーバー設計を開発するための最初の真にオープンスタンダードです。今日の古典的なサーバーの世界では、このアプローチには多くの利点がありますが、アプリケーション対応のプロセッサモジュールがまだ活用されることはめったにありません。たとえば、特定のサイズとI / O要件を非常に簡単に実現できます。開発者は適切なアプリケーション固有のキャリアボードを設計するだけで済みます。プロセッサ、RAM、高速インターフェイスなどの複雑なコアコンポーネントは、標準化されたモジュールで購入できます。

キャリアボードの設計はフルカスタム設計よりも手間がかからないため、このアプローチは、以前は標準製品では不十分であったが避けられない妥協点であった小規模な製品シリーズにも効率的に適用できます。さらに、モジュラーコンセプトにより、パフォーマンスアップグレードのコストも大幅に削減されます。 1Uまたは3Uラックシステムの完全な交換と比較して、モジュラーサーバー設計では、モジュールのみが交換されるため、アップグレードのコストを約50％削減できます。したがって、このアプローチにより、投資の持続可能性が向上し、ソリューションの長期的な可用性とROIが向上します。これにより、ソリューションをより長く使用できるようになります。

1つの標準でより多くの計算単位

モジュール式の概念の一般的な利点に加えて、COM-HPCサーバーは、以前はこの形式のモジュールでは利用できなかったいくつかの技術的な改良も提供します。たとえば、COM-HPC標準はx86プロセッサに限定されていませんが、RISCプロセッサ、FPGA、および汎用グラフィックスプロセッシングユニット（GPGPU）の使用を明示的に規定しています。このような代替計算ユニットを使用した最初のサンプルは、EmbeddedWorldのPICMGブースで展示されました。

そのため、単一の公式仕様と標準化されたエコシステム内で、さまざまなコンピューティングユニットとアクセラレータユニットを備えた異種サーバー設計を開発および実装することが初めて可能になりました。これを容易にするために、新しい仕様はモジュールのスレーブモードも初めてサポートします。 OEMは、簡素化されたより効率的な設計の恩恵を受けるだけでなく、ノウハウをより効果的に再利用することもできます。

パフォーマンスを向上させるためのスペースを増やす

COM-HPCサーバーモジュールは、エッジおよびフォグサーバーアプリケーションに、半導体メーカーが間もなく発売する予定の新しい組み込みエッジサーバープロセッサに必要な高性能コンピューティングパワーを提供することを目的としています。 COM-HPCサーバーモジュールの最大指定電力バジェット300ワットは、少なくとも中期的に期待されるパフォーマンスを示します。比較のために：今日最も強力なCOM Express Type 7 Server-on-Moduleは、最大100ワットを許容します。予測されるパフォーマンスの飛躍を考慮に入れてこれをスケーリングすると、COM-HPCが将来的に膨大なサーバー負荷をカバーできるようになることが容易にわかります。

この高性能の可能性の次に、モジュールがプロセッサまたは代替コンピューティングユニットにどれだけのスペースを提供するかが重要です。これは、16コア以上のIntelおよびAMDの現在の高性能CPU、または手のひらサイズの強力なFPGAを見ると明らかになります。 COM-HPCサーバーは、図1に示すように、200 mm x 160 mm（サイズE）または160 mm x 160 mm（サイズD）のモジュールフットプリントを提供します。これらの比較的大きなフットプリントは、熱放散を簡素化し、より大きなスペースを提供します。熱廃棄物をより効率的に分散できるヒートシンク。

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図1：COM-HPCサーバーは2つの異なるフットプリントを指定します。現在1テラバイトのRAM用に最大8個のDIMMソケット用のスペースがあるサイズEと、4個のDIMMソケット用に20％小さいサイズDフットプリントです。 COM-HPCサーバーとクライアントは2x400ピンの同じコネクタを使用しますが、それらは互いに異なる距離に配置されています。これにより、誤って間違ったタイプのモジュールを取り付けて損傷するのを防ぎます（出典：congatec）。

より多くのメモリパフォーマンス

これらの大きなフットプリントにより、COM-HPCサーバーモジュールはより多くのメモリパフォーマンスも提供します。マイクロサーバー、エッジサーバー、フォグサーバーの高いメモリ帯域幅とサイズの要件を満たすフルDIMMメモリモジュール用の十分なスペースがあります。サイズEのフットプリントでは、現在最大1.0テラバイトのメモリ用に最大8個のDIMMソケットをホストできます。サイズDのフットプリントでは、現在最大512ギガバイトのメモリ用に最大4つのDIMMソケットをホストできます。

より多くのI / Oパフォーマンス

キャリアボード接続の場合、COM-HPCサーバーは8x 25 GbEと、PCI Express Gen4.0およびGen5.0用の65PCIeレーンを定義します（図2）。これらのレーンの1つは、キャリアボード上のオプションのボード管理コントローラー（BMC）との通信用に予約されており、残りの64のPCIeレーンは周辺機器の接続に使用できます。

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図2：COM-HPCサーバーモジュールの主な機能：非常に多くの高速インターフェース、卓越したネットワーク帯域幅、ヘッドレスサーバーのパフォーマンス（出典：congatec）

したがって、COM-HPCサーバーは、非常に幅広く強力な接続を提供します。たとえば、GPGPU、FPGA、ASICSなどの追加のコンピューティングアクセラレータを（たとえば、一致するCOM-HPCモジュールの形で）またはNVMeベースのストレージメディアに接続します。合計すると、COM-HPCサーバーの設計は、PCIeを介した最大256ギガバイト/秒のI / Oパフォーマンスの恩恵を受けます。 Thunderbolt3.0バージョンの2つのUSB4.0インターフェースを介してさらに2x40ギガビット/秒を追加できます。また、指定された2つのUSB3.2インターフェースを介して2x20ギガビット/秒を追加できます。 4つの追加のUSB2.0インターフェースが、COM-HPCサーバーモジュールのUSBオファーを締めくくります。 2xネイティブSATAに加えて、eSPI、2xSPI、SMB、2x I2C、2xUART、および12 GPIOもサポートし、たとえばサービス目的で、単純な周辺機器と標準の通信インターフェイスを統合します。追加の10Gbイーサネットポートは、リモートおよび帯域外管理に使用できる専用の通信チャネルを提供します。

最適化されたサーバーグレードのボード管理

COM-HPCによって最初に導入されたもう1つの業界は、専用のシステム管理インターフェイスです。このインターフェースは現在、PICMGリモート管理小委員会で開発されています。目的は、インテリジェントプラットフォーム管理インターフェイス（IPMI）で指定された機能セットの一部を、リモートエッジサーバーモジュールの管理に使用できるようにすることです。したがって、スレーブ機能と同様に、COM-HPCはリモート管理用の拡張通信機能も提供します。この機能のおかげで、OEMとユーザーは、サーバーの一般的な要件である信頼性、可用性、保守性、および安全性（RAMS）を確保できます。個々のニーズに応じて、この機能はキャリアボード上のオプションのボード管理コントローラーを介して拡張できます。これにより、OEMは、特定の要件に適応できるリモート管理の統一された基盤を提供します。

COM-HPCクライアント–より大きく、より速く、より

COM-HPCサーバーの仕様は、まったく新しい組み込みエッジサーバーの設計に重点を置いていますが、もちろん、これまでCOM Express Type6を活用してきた「クラシック」な高性能組み込みシステムもあります。 OEMは、COM-HPCによって既存のCOM Expressの設計が廃止されるのか、COM-HPCに切り替えるのに最適な時期はいつか、COM-HPCが彼らとその顧客にとってどのような利点があるのか​​疑問に思っています。これらの質問に答えるには、COM-HPCクライアントモジュールが提供する機能を詳細に把握し、COMExpressの機能と比較することが重要です。

3つのサイズ

多くの点で、2つの標準には相違点よりも類似点があります。 COM Expressと同様に、COM-HPCクライアントは、120 mm x 160 mm（サイズC）、120 mm x 120 mm（サイズB）、および120 mm x 95 mm（サイズA）の3つのモジュールサイズを指定します。これは、最小のCOM-HPCクライアントフットプリントが、125 mm x 95mmのCOMExpressBasicと実質的に同じであることを意味します。これだけでも、COM-HPCクライアントがCOM Expressの上にあり、COMExpressでは到達できないアプリケーションに対応していることがわかります。 （図3）。

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図3：COMExpressとCOM-HPCクライアントはどちらも3つの異なるフットプリントを定義しています。ただし、最小のCOM-HPCサイズAはCOM Express Basicとほぼ同じであるため、COM-HPCがCOM Expressの上に配置されていることがすぐにわかります（出典：congatec）。

より強力な

これは、サポートされている200ワットの電力バジェットにも反映されています。これは、今日の最も強力なCOM Express Type6モジュールの約3倍です。メモリに関しては、COM-HPCクライアントとCOM Expressの両方がSODIMMまたははんだ付けされたメモリを使用しますが、COM-HPCは最大4つのSODIMMソケットでより多くのメモリを収容できます。ただし、COM Expressは現在すでに96ギガバイトをサポートできるため、高いメモリ要件も満たしています。

より多くのより高速なインターフェース

レイアウトの観点から、COM ExpressモジュールとCOM-HPCモジュールの最も重要な違いは、図4に示すように、コネクタと、モジュールをアプリケーション固有のキャリアボードに接続する信号ピンの数に関係します。

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図4：COM-HPCクライアントとCOM Express Type 6インターフェイスは、主にPCIeレーンの数と帯域幅、イーサネットインターフェイスとUSBポート、およびまだ指定されていない拡張リモート管理サポートが異なります（出典：congatec）。

COM-HPCは、最新の高速インターフェイス用に設計され、PCIe5.0および25Gb / sの高クロックレート用にすでに指定されている新しいコネクタを活用します。 COM Expressは、互換モードでPCIe Gen3.0およびPCIe4.0をサポートします。ただし、もちろん、PCIe Gen4.0を搭載した組み込みプロセッサを最初に利用できるようにする必要があります。 COM Expressと同様に、COM-HPCは2つのコネクタをサポートしますが、それぞれ400ピンです。したがって、合計800の信号ピンがあるCOM-HPCには、440ピンのCOM Express Type6モジュールのほぼ2倍のピンがあります。言うまでもなく、これはさらに多くのインターフェースのためのスペースも提供します。

COM-HPCクライアントモジュールは、キャリアボードへの49個のPCIeレーンにこれらを使用します。そのうちの1つは、キャリアボードのBMCとの通信を目的としています。これは、COM Express Type6が最大24レーンで提供するレーンの2倍です。 2つの25GbEKRイーサネットと最大2つの10GbBaseTインターフェイスもモジュールに直接提供されます。 COM Express Type6は1x1 GbEをサポートし、キャリアボードを介してさらにネットワークインターフェイスを実装するオプションがあります。

4xグラフィック

グラフィックサポートは両方の標準で同じです。同時に、これらのモジュールをヘッドレスCOM ExpressServer-on-ModulesおよびCOM-HPCServerモジュールと区別するのもこの点です。どちらの規格も、3つのデジタルディスプレイインターフェイス（DDI）と1xエンベデッドDisplayPort（eDP）を介して最大4つのディスプレイをサポートします。マルチメディアインターフェイスに関しては、COM-HPCはCOMExpress用に指定されたHDAインターフェイスの代わりにSoundWireを使用します。 SoundWireは、クロックとデータの2つのレーンのみを必要とする新しいMIPI標準であり、クロックレートは最大12.288MHzです。最大4つのオーディオコーデックをこれらの2つのレーンに並列に接続でき、各コーデックは分析のために独自のIDを受け取ります。

より多くのUSB帯域幅とMIPI-CSI

COM-HPCは、サポートされているUSB規格の観点からも将来に向けて調整されており、4x USB2.0で補完された4つのUSB4.0インターフェイスを指定しています。これは、COM-HPCクライアントモジュールが最大4x USB3.1および8xUSB2.0を実行するCOMExpress Type 6モジュールよりも少ない4つのUSBポートを提供することを意味しますが、USB 4.0は最大の転送速度用に設計されているため、これはより多くの帯域幅によって補償されます〜40 Gbit / s。 COM-HPCクライアントモジュールのもう1つの魅力的な機能は、2つのMIPI-CSIインターフェイスを提供し、状況認識と協調ロボティクスのための費用効果の高いカメラ接続を可能にすることです。

COM-HPCクライアントはさらに、従来のSSDおよびHDDを接続するための2x SATAインターフェイスを提供します。これらは、今日ではほとんどレガシーデバイスであり、さらに2xUARTや12xGPIOなどの産業用インターフェイスも提供します。 2x I2C、SPI、およびeSPIが機能セットを完成させます。これらの機能はすべてCOMExpress Type 6モジュールに匹敵し、COM-HPCとは対照的に、独自の機能としてコネクタを介してオプションのCANバスを提供します。

違いから判断すると、COM Expressベースの設計を採用しているOEMは、今後何年にもわたってCOMExpressを十分に活用できるので安心できます。これは、ISAからPCIへのスイッチやPCIからPCI Expressへのスイッチとは異なり、COM-HPCが新しいシステムバスを導入しないためでもあります。また、COM ExpressモジュールがベストセラーモジュールとしてETXに取って代わったのは、ETXの導入から11年後の2012年までであることも覚えておく価値があります。そしてETXモジュールは今日でも販売されています。 PCIe世代は前世代と下位互換性があるため、PCIe Gen 4.0がすべてのプロセッサレベルに導入された後でも、PCIe Gen3.0を使用した設計は長期間使用され続けます。したがって、指定されたインターフェイス仕様が適切である限り、変更する必要はまったくありません。

ただし、32を超えるPCIeレーンが必要な場合、または全帯域幅のPCIe 4.0、USB4.0マルチプル25Gbit / sイーサネット、および/または高度なリモート管理機能が必要な場合は、切り替える価値があります。それ以外の場合は、「実行中のシステムを変更しない」というモットーに固執します。