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第三代高性能计算机模块(COM)问世

--漫谈嵌入式计算机模块标准-- COM HPC

供稿:康佳特科技有限公司 2020/6/1 12:00:53

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  • 关键词: 康佳特 嵌入式计算机模块
  • 摘要:随着5G网络的推展,极速的实时数据交换将成为主要应用领域。但目前COM标准的用户不必担心自己的解决方案就此失效,因为转型需要时间,基于当前标准的产品在未来多年内并不会退出市场。

漫步者股票分析继ETX/XTX和COM Express之后,嵌入式计算机模块行业推出了一款开创全新性能级别的产品生命周期。这个全新的设计标准被称为COM-HPC,已通过康佳特等企业组成的PICMG认证。随着5G网络的推展,极速的实时数据交换将成为主要应用领域。但目前COM标准的用户不必担心自己的解决方案就此失效,因为转型需要时间,基于当前标准的产品在未来多年内并不会退出市场。

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漫步者股票分析图解1:ETX及其演变成的COM Express标准是两种嵌入式计算机模块的技术规范,随着技术的进步而在多个独立团体的努力下实现了标准化。而现在,第三种标准COM-HPC即将推出,以满足宽带、5G联网设备、机器和系统的高性能要求。

漫步者股票分析自嵌入式计算机模块(Computer-On-Module, 以下简称COM)的概念诞生以来,模块化电脑已成为嵌入式计算机系统中最为重要的设计原则。IHS Markit的研究表明,预计至2020年 ,嵌入式计算机主板、模块和系统的全球销售额中将有38%来自COM。首个嵌入式计算机模块于1990年代早期问世,由德国公司JUMPtec的所有者且至今仍活跃于德国康佳特的Hans Mühlbauer,根据当时常见的AT/ISA96总线,推出了首个ModulAT模块,基于9.54 MHZ 英特尔CPU 80C88,DRAM内存可达640KB。其目标是让办公室电脑技术更适合工业用途。这在嵌入式计算机领域前所未有。当时,工业电脑主要使用19英寸机架系统,而使用100 x 160毫米主板的工业级电脑根本闻所未闻。该模块在CPU和元件的同一侧装有120个针脚,当时的处理器显然无需考虑复杂的散热管理。

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图解2:JUMPtec基于当时常见的AT/ISA96总线,推出了首个ModulAT模块,配备了9.54 MHz 英特尔 CPU 80C88,DRAM内存可达640KB。

漫步者股票分析首个模块的目标是避免将所有功能集中于一张卡上,以减少CPU快速更新换代所带来的冲击。在过去,英特尔(Intel)和AMD每六个月就能推出一款新CPU。由于不确定旧版CPU还能在市场上留存多久,因此需要使用模块化来确保其长期可用。当然,其拥有的可扩展性也带来了多种不同的性能变种。另一个重点则是减少I/O板设计的复杂性。当I/O板需求的层数大幅减少,这使得PCB设计的成本随之降低。在当时,如何用新型模块减少功耗和发热量也已经成为了关注点。最后,客户总是想要最新款式的CPU,这一点时至今日也没有改变。而模块同样能保障这种优势。

模块还能解决缆线缠结

然而,与AT/ISA96总线相比,ModulAT模块上市的时间较晚,因为用于工业用途的嵌入式计算机当时才刚刚起步。例如,x86和Windows还未在行业中崭露头角,与蓝屏问题的斗争依然如火如荼。在这方面,模块更像是新兴行业的早期“盗版”产品,而不是既定模块标准中的独特产品世代。即便如此,JUMPtec依然开创了全球模块业务,创立了标准规范。在如今看来,这是一大成功。在1990年代中期,PC/104 单板(SBC)的规格为连接器留出的空间过少,使其难以安装在CPU和芯片组的同一侧,进一步证明了模块的重要性。随着客户开始对连接能力提出更高的要求,连接器被定制安装在PCB的另一侧,用以连接更多外部设备。PC/104的设计原则还意味着缆线必须将I/O引导至机箱,这导致缆线的缠结问题更为严重,也导致系统更容易出错。在当时,良好的系统设计意味着干净整洁的缆线连接。通过使用专用载板,使外部I/O可以直接连接到机箱,无需使用缆线,模块概念能有效解决缆线缠结问题,这也成为一大亮点。JUMPtec开发的首个ETX模块成功推出,标志着嵌入式计算机模块市场的重大突破。

最佳模块概念竞争激烈

然而,虽然JUMPtec开创了标准规范,但这些以ISA/PCI为基础、具备400个针脚连接器的ETX设计却并非一帆风顺。许多企业和竞品模块概念开始要求原始设备制造商提供类似的解决方案,其中大多数的名字如今只有死忠粉丝才能想起。虽然当时的嵌入式计算机供应商规模与今日相距甚远,但还是展开了激烈的竞争。JUMPtec和Advantech在2001年11月共同创立了ETX Industrial Group(ETX-IG),推出了首个开放的、独立于制造商的模块标准规范,其中一版规范如今依然有效。Mühlbauer在当时解释道:“举例来说,Advantech、I-Base、IBR和PCISystems都开发了不同的ETX主板,并且很快就达到了市场成熟的水平。为了确保全球ETX标准的统一制定,我们需要建立一个开放的ETX联盟。” 在几个月内,其他重要的ETX支持者体会到了开放式标准带来的卓越效益,也纷纷加入了联盟。随后,ETX-IG通过兼并和收购而变得越发举足轻重,不同设计类型的模块也逐渐减少。最终,模块设计的分歧几乎彻底消失。由此,在下一个技术周期中,嵌入式计算机模块行业顺利制定出了新的标准规范,避免了过多的竞争和交锋。

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图解3:Advantech和JUMPtec在纽伦堡的SPS/IPC/Drives上创立了ETX-IG。

COM Express于2005年成为正式的PICMG标准规范

2004年,随着新推出的PCI Express总线被广泛应用,新型处理器和芯片组也不再支持ISA,行业需要一种全新的设计概念:COM Express,这种规范虽然制定起来相对轻松,但也并非轻而易举。主持标准规范的PICMG需要对抗内部的种种障碍与拖延。最终,在2005年7月,嵌入式计算机业界对PICMG的COM Express标准达成了一致。该概念于2003年秋季与英特尔合作共同被提出,在18个月的时间后才实现了标准化。从2010年的Rev 2.0到2017年的Rev 3.0,起草者Christian Eder一直领导着标准的制定。他最初在Mühlbauer的JUMPtec工作,随后加入了Kontron,如今则为德国康佳特服务。

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图解4:首款COM Express模块于2005年开始批量生产,使用了英特尔奔腾M处理器,是嵌入式计算机处理器中真正的里程碑。

如今,在PICMG推出COM Express整整14年后,嵌入式计算机模块市场成为了最大、最主要的嵌入式计算机子市场,所有嵌入式计算机制造商都能提供多种COM Express模块。虽然如此,ETX/XTX模块也并未销声匿迹,这意味着首个计算机模块(COM)周期还并未终结。COM Express花了许多年的时间追赶ETX/XTX,直至2012年才终于在数量上超过了后者。看来 “好用就不做改变”,流行这句谚语的可不只在嵌入式计算机市场。

COM Express模块无可比肩

如今,对中高端性能的新式嵌入式载板而言,COM Express依然是无可争辩的标准规范。似乎没有其他规范能与之抗衡。这一规范经过了多次低调的修订,于2017年5月发布了如今的3.0版,这也是标准规范的好处。在相对较新的Type7规范中,COM Express专为嵌入式边缘服务器应用而打造,在极端条件下甚至可以用作VITA规范的基准。其他模块标准,例如Qseven和SMARC 2.0,虽然两者都支持以ARM为基础的应用处理器,但仅限于低功耗或者小型设计。最新的COM-HPC模块标准规范吸取了过往的教训:从一开始,这一高性能嵌入式计算机模块标准就由PICMG制定,以尽可能避免模块之间的激烈竞争。对第三代模块标准规范来说,独立于制造商的联盟是最理想的生态体系。

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漫步者股票分析图解5:至今为止性能最强大的COM Express Type 7嵌入式服务器模块,搭载AMD EPYC处理器。

第三代高性能COM问世

自2018年10月起,由康佳特市场营销总监Christian Eder 担任主席的PICMG工作组就在研究最新的COM-HPC模块标准规范。这一标准急需问世,因为所有全新的物联网/5G联网设备都需要高带宽、高频率的通讯总线,而COM Express板间连接器却无力提供支持。这意味着在全球构想、推行了数十年的嵌入式计算机模块标准规范将由同一个德国COM联盟所制定。目前,这一联盟的主要推动力就是德国康佳特,该公司于2005年成立,为纯粹的计算机模块供应商,以避免和自己的顾客在系统解决方案市场中竞争。该公司也是Qseven和SMARC 2.0的构思者。

宽带网络需要宽带电脑

随着业界从ETX逐步转换到COM Express,新总线技术的推出自然会迎来新的标准。COM-HPC标准规范旨在为宽带网络中适合PCI Express第3代至第5代高频信号的宽带计算设定全新的嵌入式计算机模块标准。然而,正如COM Express并未取代ETX,COM-HPC不应成为COM Express的替代品。如我此前所述,ETX/XTX模块如今依然可以使用,用户甚至在20年后依然可以使用同样的设计原则。因此,在COM-HPC模块标准同样可以保证,过去有效的基本概念如今也依然有效。此外,新处理器的设计更为复杂,因此更需要通过特定的载板将I/O从CPU模块导出。

但为什么不继续开发COM Express就好呢?全新COM-HPC标准所需的并不只是新连接器,而是传统COM Express中的许多功能已经不再需要,需要被移除。这是因为全新的标准所瞄准的应用方式要求较高,远超出了当前顶级COM Express的性能支持。然而,其目的依然是使原始设备制造商通过大型生态体系和PICMG及其标准规范的声誉而获得效益,因此,特别强调使用者可以轻松地完成系统迁移。由ETX迁移至COM Express时的大量经验应该能作为参考。

基于这些原因,在高于COM Express Type7和Type6标准规范的性能, 将有两种全新的新一代性能级别。其中一类别主要面向边缘服务器技术,其需要更多通信接口,而非强大的集成显卡,且具备多核心用于工作负载整合。另一类别会扩展现有的高端嵌入式计算机标准,增添COM Express无法容纳的新性能选项,其组成部分包括显卡,USB 3.2(20 Gbit/s)、USB 4.0(40 Gbit/s)、 配备了x2/x4端口配置和重定时器的第4代与第5代PCIe、每秒100/200 Gb的以太网、NVMe和其他选项。

双倍针脚,多达8个DIMM插槽

漫步者股票分析连接器是新标准规范中非常重要的一部分。COM Express仅限于传输速度每秒8 Gb、时钟频率5.0 GHz的第三代PCIe。全新的连接器可支持的传输速度超过了每秒32 Gb,等同于第5代PCIe。此外,支持多达65个PCI Express通路,足够连接许多强大的GPGPU并进行机器学习。相比之下,COM Express最大仅能支持32个PCI Express。COM Express的性能表现目前受限于每对信号10 Gb以太网,这也将提升到每对信号至少25 Gb以太网,使100 Gb以太网的支持成为可能。用于边缘计算机的新一代处理器还需要更多互联,也需要更多DIMM插槽的空间。该新标准可支持多达8个DIMM插槽和800个针脚,而COM Express仅有440个针脚。

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图解7-8:康佳特的COM-HPC模块拥有两种性能类别,与如今的COM Express Type6和Type7一样,分为客户端(Client)类与服务器(Server)类。从一开始,这两个类型的设计面积就意味着,大型的高端COM-HPC模块能容纳多达8个DIMM插槽。图示还清晰展示出了不同尺寸的板际连接器的相同布局。

漫步者股票分析也许有人认为,制定新的标准规范轻而易举,但事实并非如戏。仅仅提升信号频率就带来了诸多复杂的问题。例如:为了支持高达300W的模块,康佳特和Samtec已经为COM-HPC连接器的要求与测试合作探讨了两年。然而,PICMG工作组直到2018年10月才成立,这意味着许多基础工作此前已经被完成,由此加快了工作组的决策速度。

COM-HPC模块何时问世?

漫步者股票分析参与标准制定的各大公司目前都翘首以待,希望流程不要如COM Express一般,在PICMG中再度停滞。它的成功很大程度上取决于企业能否携手并进,而非单独推行。因此,整个业界对发布公开声明都相当谨慎。英特尔等半导体制造商已经通过早期体验项目分享了最新的处理器技术,开发部门正在全力进行初版设计的研究。康佳特的首个COM-HPC模块可能于今年推出,到时,新 一代的嵌入式计算机时代即将来临,这和当年COM Express花的时间差不多,因此很可能实现。

PICMG——强大的团队

PCI工业计算机漫步者股票分析制造商组织(PCI Industrial Computer Manufacturers Group),简称PICMG,是由超过140家企业所组成的联盟,旨在共同开发高性能电信与工业应用的免专利标准规范。联盟的成员多为技术领域的先驱者,在各自的行业内拥有多年开发经验。目前,该组织正在开发COM-HPC规范标准,为下一代嵌入式计算机模块提供开放架构。参与制定COM-HPC规范标准的企业包括工作组的发起方德国康佳特、凌华科技和控创,以及研华、Amphenol、比勒菲尔德大学、Elma Electronic、Emerson Machine Automation Solutions、ept、Fastwell Group、Heitec、英特尔、MEN Mikro Elektronik、MSC Technologies、N.A.T.、Samtec、SECO、TE Connectivity、Trenz Electronic和VersaLogic等,其主席为康佳特的Christian Eder。

审核编辑(王静)
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