COM-HPC：モジュラー組み込みシステムの次世代オープン標準

組み込みコンピューティングは、モジュラーシステム設計の次世代オープン標準であるCOM-HPCの採用を目前にしています。そのアーキテクチャは複雑でしばしば誤解されるため、明確なガイダンスが不可欠です。

ステークホルダーはCOM-HPCを2つの視点で見ています。組み込みエッジサーバーコミュニティは、高性能・堅牢なワークロードのプラットフォームとして見なし、既存のCOM Expressユーザーはクライアントモジュールとその進化に焦点を当てます。彼らは今移行すべきか、新標準がもたらす具体的なメリットは何かを問いています。

組み込みサーバー向けオープン標準プラットフォーム

高性能
Computer-on-Module標準の簡略史

年 詳細

2001年 ETX-IG設立と初のメーカー非依存モジュール標準の発表

2005年 PICMGがCOM Express 1.0仕様を公開

2010年 COM Express 2.0仕様

2012年 COM Expressモジュール販売がETXを上回る

2012年 COM Express 2.1仕様

2018年 PICMG COM-HPC委員会設立

2019年 COM-HPCピンアウトリリース

2020年 COM-HPC仕様発表

Computer-on-Module（CoM）標準がオープンでベンダー非依存であるため、それベースの製品は数十年のライフサイクルを享受します。OEMは今日でもレガシーETXモジュールを注文でき、PCIeベースの標準は下位互換性を通じてさらに長い関連性を約束します。

COM-HPC Serverは、過酷な環境でのモジュラー組み込みラック/ボックスサーバー設計のための、初の真にオープンな標準です。今日の古典的なサーバー環境では、アプリケーション対応プロセッサーモジュールはまだほとんど活用されていませんが、それらは大きな利点をもたらします。

プロセッサー、メモリ、高速インターフェースを単一の標準化モジュールに集約することで、設計者はキャリアボードを正確なサイズとI/O要件に合わせて調整することに集中できます。このアプローチは設計時間を効率化し、迅速な市場投入を可能にし、製造コストを削減します。特に少量生産製品では、フルカスタム設計はコストが見合わないため効果的です。

アップグレード時にモジュールのみを交換すればよいため、1Uまたは3Uラックシステムの全面交換と比較してコストを約50%削減できます。その結果、製品ライフサイクル全体でより持続可能な投資と拡張されたROIが実現します。

汎用的なメリットに加え、COM-HPC Serverはこのフォームファクタでは以前利用できなかった技術的改良を導入しています。仕様はx86 CPUに限定されず、RISCプロセッサー、FPGA、GPGPUを明示的にサポートします。これらの代替演算ユーザーを搭載した初のサンプルがEmbedded World 2023で展示されました。

初めて、OEMは単一の公式指定エコシステム内で、複数の演算およびアクセラレータータイプを組み合わせたヘテロジニアスサーバーアーキテクチャを設計できます。仕様はモジュールのスレーブモードも定義し、設計者にレガシーコンポーネント統合のさらなる柔軟性を与えます。

COM-HPC Serverモジュールは、次世代CPUの高性能コンピュートパワーを必要とするエッジおよびフォグサーバーをターゲットとしています。最大300Wの電力予算で、今日の100W制限のCOM Express Type 7モジュールをはるかに超える性能レベルを約束します。次世代CPUから期待される性能飛躍と合わせて、COM-HPCは巨大なサーバー負荷を処理できる態勢です。

大型フットプリントは冷却を簡素化し、高性能CPUやFPGAの使用を可能にします。COM-HPC Serverは2つのフットプリントを提供します：Size E（200mm × 160mm）で最大8個のDIMMソケット、1TBのRAM；Size D（160mm × 160mm）で4個のDIMMソケット、512GB。以下の図が2つのサイズを示しています。

click for larger image

図1: COM-HPC Serverは2つのフットプリントを指定。Size Eは最大8 DIMMソケットで1TBメモリ、Size Dは4ソケットで512GB。コネクタレイアウトが異なり誤装着を防止（出典: congatec）

拡大したフットプリントによりフルDIMMモジュールが可能となり、マイクロ/エッジ/フォグサーバーに必要な帯域幅と容量を提供します。Size Eは最大8 DIMM（約1TB）、Size Dは最大4 DIMM（約512GB）をサポート。

COM-HPC Serverは、8 × 25GbEポートと65 PCIeレーン（Gen 4.0/5.0）を定義。1レーンはオプションのボード管理コントローラー用に予約され、残り64レーンが周辺デバイスに供給され、最大256GB/sのI/Oスループットを実現します。

広範なI/Oマトリクスにより、COM-HPC Serverはアクセラレーター（GPGPU、FPGA、ASIC）やNVMeストレージをホストできます。Thunderbolt 3.0インターフェース上の2つのUSB 4.0（40Gb/s）ポートと2つのUSB 3.2（20Gb/s）ポートがPCIeレーンを補完し、さらにUSB 2.0、SATA、eSPI、SPI、SMB、I²C、UART、GPIOインターフェースが機能セットを完結させます。専用の10GbEポートがリモート管理をサポートします。

COM-HPCは専用のシステム管理インターフェースを導入し、PICMGリモート管理サブコミッティによって開発中です。IPMI派生の機能でリモートエッジサーバーモジュール管理（信頼性、可用性、保守性、安全性：RAMS）を実現。OEMはキャリアボード上のオプションボード管理コントローラーで機能を拡張できます。

COM-HPC Client – より大きく、速く、多く

COM-HPC Serverが新しい組み込みエッジサーバー設計をターゲットとする一方、「古典的な」高性能組み込みシステム（歴史的にCOM Express Type 6ベース）は依然として多くの市場を支配しています。OEMは自然と、COM-HPCが既存設計を陳腐化させるか、いつ切り替えるべきか、顧客にどんなメリットがあるかを問います。

3つのサイズ

両標準とも3つのモジュールサイズを定義。COM-HPC Clientは120mm × 160mm（Size C）、120mm × 120mm（Size B）、120mm × 95mm（Size A）を使用。最小フットプリントはCOM Express Basic（125mm × 95mm）とほぼ同一で、COM-HPCがCOM Expressより上位に位置し、その到達範囲を超えるアプリケーションをターゲットとすることを示しています。

click for larger image

図3: COM ExpressとCOM-HPC Clientは3つのフットプリントを共有。最小のCOM-HPC Size AはCOM Express Basicとほぼ同一で、COM-HPCの上位位置付けを示唆（出典: congatec）

より多くの電力

仕様では200Wの電力予算を許容。これは今日の最強COM Express Type 6モジュールの制限の約3倍です。両標準ともSODIMMまたは実装メモリをサポート。COM-HPC Clientは最大4個のSODIMMソケットを搭載可能で、より大容量メモリを実現。一方COM Expressは既に最大96GBをサポート。

より多く、より高速なインターフェース

両標準の主な違いはコネクタとピン数にあります。COM-HPC Clientは400ピンコネクタ（2コネクタで計800ピン）を導入し、COM Express Type 6の440ピンのほぼ2倍です。この追加ピン数で、より多くのPCIeレーン、高速Ethernet、追加USBポートに対応します。

COM-HPC Clientはキャリアボードに49 PCIeレーンを提供（COM Express Type 6の24レーンの2倍）。1レーンはボード管理コントローラー専用。2つの25GbE KR Ethernetポートと最大2つの10Gb Base-Tポートがモジュール上に直接統合。対照的にCOM Express Type 6は単一の1GbEポートを提供し、追加インターフェースはキャリアボード上でオプション対応。

グラフィックスとオーディオ

両標準とも最大4ディスプレイをサポート（3 DDIポート + 1埋め込みDisplayPort）。COM-HPCはHDAオーディオインターフェースをSoundWireに置き換え。これはMIPIベースの標準で、クロックとデータの2レーンのみで最大4オーディオコーデックをサポート。

USB帯域幅とMIPI-CSI

COM-HPC Clientは4つのUSB 4.0ポート（40Gb/s）と4つのUSB 2.0ポートを提供し、COM Express Type 6の4 × USB 3.1と8 × USB 2.0より高い総帯域幅を実現。また、状況認識と協調ロボティクスに有用な低コストカメラ接続のため、2つのMIPI-CSIインターフェースを追加。

その他のインターフェースはCOM Expressを反映：2 SATAポート、2 × UART、12 × GPIO、2 × I²C、2 × SPI、eSPI。COM Expressにはコネクタ上のオプションCANバスがあり、これはCOM-HPCにはない機能です。

click for larger image

図4: COM-HPC ClientとCOM Express Type 6のインターフェースの違いは主にPCIeレーン数、Ethernetポート、USBポート、未仕様のリモート管理サポート（出典: congatec）

COM Expressユーザーは、同標準が今後も長年にわたり実用的であることを安心できます。PCIe世代は下位互換性があり、Gen 3.0ベースの設計はGen 4.0到来後も長くサービス可能です。現在のインターフェース仕様がニーズを満たすなら、移行を急ぐ必要はありません。

32 PCIeレーン以上、フル帯域幅PCIe 4.0、複数の25Gb/s Ethernetポート、高度なリモート管理機能が必要なアプリケーションなら、COM-HPCが論理的な選択です。そうでなければ、「動いているシステムは変えない」の格言が依然として成り立ちます。