Gehäuse Aktuelle Normen für modulare Computersysteme

MicroTCA: Kleiner Formfaktor für große Leistung

MicroTCA.0 steht für „Micro Telecommunications Computing Architecture“ und ist ein ebenfalls von der PICMG verabschiedeter modularer Standard. Dieser nutzt genau die gleichen AdvancedMC-Module wie AdvancedTCA. Im AdvancedTCA-Standard werden die AdvancedMC-Module in AdvancedMC-Carrier gesteckt, bei Micro-TCA sind diese Baugruppen als Funktionsmodule definiert, die direkt im System eingesetzt werden. Durch die stetige Miniaturisierung der Bauteile können auf diesen kleinen AdvancedMC-Modulen komplette Einplatinenrechner realisiert werden.

MicroTCA ermöglicht damit den Bau extrem kleiner Systeme (Bild 2) mit hoher Rechenleistung. MicroTCA ist fokussiert auf den Telecom-Edge&Access-Bereich (z.B. Basisstationen), auf Enterprise-Applikationen (z.B. große Telefonanlagen), auf Broadcasting-Lösungen (z.B. Video on Demand) und weitere Applikationen in verschiedenen Marktsegmenten, bei denen große Datenmengen übertragen und verarbeitet werden müssen. Diese Telekommunikations-Anforderungen werden mit der MicroTCA.0-Basisspezifikation abgedeckt.

Die PICMG hat vier MicroTCA-Unterspezifikationen gestartet, die erweiterte Anforderungen in anderen Marktsegmenten abdecken. Die erste Unterspezifikation (MicroTCA.1), die Lösungen für luftgekühlte AMC.0-Module bei höheren mechanischen und thermischen Anforderungen definiert, wurde bereits verabschiedet. Es gibt auch schon serienreife Rugged-MicroTCA-Produkte, die bereits in ersten Applikationen eingesetzt werden.

Die zweite Unterspezifikation (MicroTCA.2) befasst sich mit luftgekühlten, robusten MicroTCA-Systemen für militärische Anwendungen. In der Unterspezifikation MicroTCA.3 sollen kontaktgekühlte, robuste MicroTCA-Systeme für militärische Anwendungen erarbeitet werden. MicroTCA.2 ist noch in der Bearbeitung, MTCA.3 dagegen schon verabschiedet.

Ein weiterer Einsatzbereich außerhalb der Telekommunikation wird durch die Unterspezifikation Micro-TCA.4 „Enhancements for Rear I/O and Precision Timing“ beschrieben. Dort werden Erweiterungen bzw. Änderungen für AdvancedTCA und MicroTCA definiert, um diese Spezifikationen auch für die Physics Community nutzen zu können. Solche Systeme werden dann beispielsweise für die Steuerung von Ringbeschleunigern für die Hochenergiephysik eingesetzt. Die MTCA.4 ist zudem auch für andere Marktsegmente in der Industrie interessant, da dort (z.B. im Bereich Test & Measurement) oft vergleichbare Anforderungen gestellt werden.

MicroTCA.1 für Rugged-Industrieanwendungen

Die MTCA.1-Spezifikation betrifft luftgekühlte Industrieanwendungen und wurde im März 2009 veröffentlicht. Die Gehäuse, Racks und Systeme der ursprünglichen MicroTCA.0-Spezifikation waren für die Schock- und Vibrationsfestigkeit gemäß Performance Level DL1 nach IEC 61587-1 entwickelt. Dies bedeutet Beschleunigungsraten von 7 g für die Schockbeanspruchung und eine Beschleunigungsamplitude von 0,5 g für die Vibrationsbeanspruchung. Performance Level DL1 gilt für allgemeine Industriean-wendungen (zum Beispiel Elektrizitätswerke oder Anwendungen, bei denen niedrige energetische Einflüsse zu erwarten sind).

Die MTCA.1-Spezifikation legt nun die Anforderungen für ein System fest, das erhöhte Anforderungen in Bezug auf Temperatur, Schock, Vibrationen und Umgebungsbedingungen erfüllen muss. Die Spezifikation zielt besonders auf Systeme für den Einsatz im Freien, in Produktionsanlagen, in Bahn- und Transportanlagen und in der Luftfahrt ab. Der geltende Performance Level DL3 gemäß IEC 61587-1 legt Spitzenbeschleunigungen von 25 g für Schocktests und 3 g für Vi-brationstests fest; er stellt damit vier- bzw. sechsmal höhere Anforderungen als MicroTCA.0. Für die Vibrationsfestigkeit von MicroTCA.1-Systemen ist zusätzlich noch ein Wert von 8 g Random aus der VITA-47.0-Spezifikation definiert.

Die strengen mechanischen Anforderungen von MicroTCA.1 konnten nur durch den Einsatz einer zusätzlichen Schraubverbindung für die Befestigung der AdvancedMC-Module am Chassis erfüllt werden. In der Praxis bedeutete dies, dass die Frontplatten der AdvancedMC-Module oben und unten verlängert werden mussten, um Flansche für die Befestigung am MicroTCA-System zu erhalten.

Eine besondere Herausforderung lag in der Forderung nach einer Verriegelung, die funktionieren muss, ohne dass Kraft auf den Steckverbinder auf der MicroTCA-Backplane ausgeübt wird. Eine „normale“ Schraube kam nicht infrage, denn sie würde beim Anziehen die Platine auf dem AdvancedMC-Modul gegen die Backplane drücken und so Kraft auf den Steckverbinder ausüben.

Schroff entwickelte als Folge dessen eine funktionierende, erprobte Befestigung für das AdvancedMC-Modul (Bild 3), welche die Forderungen der MicroTCA.1-Spezifikation erfüllt. Sie besteht in einer Verriegelung ohne Ausübung von Druck auf den Steckverbinder.

MTCA.4: Mit Rear IO und zusätzlichen Clock- und Triggersignalen

Die großen weltweiten Forschungslabore, die unter anderem Teilchenbeschleuniger betreiben, haben sich für xTCA (AdvancedTCA und MicroTCA sind xTCA) als zukünftige System-plattform entschieden. Speziell die seriellen Busse auf der Backplane und das Management zur Überwachung der Betriebszustände waren in den bisher verwendeten VME-Systemen nicht verfügbar. Obwohl sowohl MicroTCA als auch AdvancedTCA eine hervorragend geeignete Plattform für diese Anwendungen sind, fehlten beiden Spezifikationen jedoch einige wichtige Eigenschaften. Während bei AdvancedTCA lediglich zusätzliche Signale in Zone 3 definiert wurden, musste die MicroTCA-Spezifikation in größerem Maße angepasst werden: Zum einen werden zusätzliche „Rear Transition Modules“ (RTM), also von hinten steckbare Boards, benötigt, um die Vielzahl an I/Os auf den rückseitigen Frontplatten unterzubringen und um digitale und analoge I/Os örtlich zu trennen. Zum anderen benötigt - die Advanced Physics Community zusätzliche hochpräzise Takt- und Trigger-Signale. All dies wurde in der MicroTCA.4-Spezifikation definiert.

Die größte Herausforderung war, den Rear-I/O-Kartenkorb in Verbindung mit dem MicroTCA-Direkt-Steckverbinder zu realisieren. Die Frontmodule werden mit den Rear-Modulen direkt über einen Stecker miteinander verbunden und nicht über eine Backplane (Bild 4). Das klingt einfach, führt aber bei den Längen-toleranzen und der Zentrierung bzw. Fixierung der Module im System zu Herausforderungen. Durch Einsatz der MicroTCA.1-Schraubverbindung auf Front- und Rear-Modul konnte die Problemstellung gelöst werden.

Eine weitere Ergänzung gegenüber MTCA.0 war die Erweiterung der ursprünglich für die Telekommunikation ausgelegten Takt- und Triggersignale. MicroTCA.0 definiert drei Telekommunikations-Clocks. Die Rev.2.0 der AdvancedMC-Spezifikation erweitert diese auf vier Telecom-Takte und einen Fabric-Takt für PCIe (PCI Express). Doch für Messaufgaben werden weitere sehr hochpräzise Takt- und Triggersignale benötigt. Diese notwendigen Topologien wurden nun im bisher nicht definierten Bereich des Pinouts der AdvancedMC-Boards realisiert. Die MTCA.4 ist im Normengremium jetzt in der Abstimmungsphase und wird in wenigen Wochen offiziell freigegeben.

Neue IEC-Norm: IEC 60297-3-107

Aufgabe der IEC-Organisation ist es, neue Technologien oder Erweiterungen bzw. Änderungen bestehender Technologien in Normen zu fassen, wenn diese für viele Marktbereiche Sinn machen. Die IEC hat nun auch die Relevanz der MicroTCA-Technologie für viele Anwendungsbereiche erkannt und entwickelt jetzt in Zusammenarbeit mit der PICMG aus bereits bestehenden MicroTCA-Spezifikationen eine allgemeine IEC-Norm, die IEC 60297-3-107.

Diese neue Norm soll die Schnittstellen und Abmessungen zwischen einem Baugruppenträger und den Einsteckmodulen definieren. Dabei werden alle möglichen Anwendungsbereiche in die Normung mit einbezogen - zum Beispiel der Einsatz unterschiedlicher Steckverbinder, so dass nicht nur die Anforderungen der Telekommunikation erfüllt werden. Die IEC-Norm wird also allgemeiner als die Spezifikationen der PIGMG und soll im März 2012 veröffentlicht werden. Mit dem kleineren Formfaktor bietet die IEC 60297-3-107 auch eine Alternative zum Europakartenformat.

CompactPCI Serial: Schneller und mit neuen Protokollen

Mitte der 1990er-Jahre wurde die weit verbreitete Computertechnik von der PICMG in einen industrietauglichen Standard umgesetzt: in CompactPCI, der den etablierten PCI-Bus verwendet. Ergänzend dazu wurden ein industrie-tauglicher Steckverbinder definiert und ein modulares System auf robuster 19-Zoll-Mechanik geschaffen.

In der PC-Welt wird der parallele PCI-Bus gerade vom seriellen Nachfolger PCI Express (PCIe) abgelöst. Daneben sind andere serielle Protokolle für spezielle Anwendungen dazugekommen. Über USB werden Peripheriegeräte wie Speicher, Eingabegeräte, Kommunikationsmodule oder sogar Zweitbildschirme an den Rechner angebunden. Interne Festplatten werden direkt über SATA-Leitungen an den Prozessor angeschlossen und mehrere Computer über Ethernet miteinander verbunden.

Die PICMG folgt nun dem gleichen Ansatz wie vor 20 Jahren: Die aktuelle und verbreitete PC-Technik wird in eine robuste 19-Zoll-Mechanik eingesetzt und ein modulares Computersystem spezifiziert, das auf aktueller und zukünftiger Technik basiert. Entstanden ist die CompactPCI-Serial-Spezifikation, die Anfang März 2011 von der PICMG ratifiziert wurde.

Sie basiert auf einer rein seriellen Architektur und erlaubt die gleichzeitige Nutzung von PCIe, SATA, USB und Ethernet auf jedem Slot: Zudem eignet sie sich für Datenübertragungsgeschwindigkeiten bis 64 Gbit/s.

Die ebenfalls neu definierte CompactPCI-PlusIO-Spezifikation ermöglicht eine sanfte Migration von CompactPCI zu CompactPCI Serial. CompactPCI PlusIO definiert ein einheitliches Pinout auf dem P2-Steckverbinder des 32-bit-CompactPCI-System-Slots, auf dem die vier neuen seriellen Busse PCIe, GbE, SATA und USB definiert sind. Dieser Systemslot kann damit einerseits den parallelen PCI-Bus als auch die neuen CompactPCI-Serial-Slots ansprechen. Somit ist ein Aufbau von Hybrid-CompactPCI-/CompactPCI-Serial-Systemen (Bild 5) möglich. Der Anwender muss somit nur die Karten erneuern, bei denen er eine höhere Performance benötigt.

Online-Informationsquellen:
[1] www.picmg.org
[2] www.schroff.de/icrotca4/warum_mtca4.html
[3] www.schroff.de/microtca4/mechanik.html
[4] www.schroff.de/systeme