Gehäuse Aktuelle Normen für modulare Computersysteme

Mit Hilfe von Normfestlegungen lassen sich modulare Computersysteme so konfigurieren, dass sie von möglichst vielen Anwendern bzw. Hardware-/Software-Anbietern genutzt bzw. mit geeigneten Lösungen versorgt werden können. Standards wie VMEbus, VME64x, AdvancedTCA, -AdvancedMC, MicroTCA, CompactPCI und CompactPCI Serial leisten wertvolle Dienste.

Seit seinem Bestehen arbeitet Schroff aktiv in unterschiedlichen Normungs- und Standardisierungsgremien wie IEEE, IEC, VITA und PICMG mit, um zukünftige Technologien zu definieren und in Standard-Produktplattformen umzusetzen. IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) sind dabei die Initialen für eine weltweite, gemeinnützige, technische Organisation auf den Gebieten Computerdesign, Biotechnologie und Telekommunikation bis hin zu Leistungselektronik, Luft- und Raumfahrt. Verschiedene Gremien sorgen hier für die Standardisierung von Techniken, Hardware und Software. Die Initialen IEC (International Electrotechnical Commission) indes stehen für eine internationale Organisation für Normen im Bereich der Elektrotechnik und Elektronik. Unter anderem wird hier die Standardisierung „Mechanischer Bauweisen für elektronische Einrichtungen“ vorangetrieben. Die VITA (VMEbus International Trade Association) arbeitet an dem klassischen VMEbus und seinen Weiterentwicklungen VME64x, VXS und VPX, während die PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) die Spezifikationen AdvancedTCA, AdvancedMC, MicroTCA, Compact-PCI und Compact-PCI Serial definiert.

Die Multicore-Prozessoren erfordern neue Standards

Zur Zeit findet ein richtiger Entwicklungssprung in vielen Bereichen der Computertechnologie statt, der erfordert, dass viele neue Spezifikationen erarbeitet werden. Die neuen Multi-Core-Prozessoren verfügen über eine enorm gesteigerte Rechenleistung. Die Infrastruktur der modularen Computersysteme muss an diese neuen Gegebenheiten angepasst werden. Große Datenmengen müssen zum Prozessor transportiert werden, und die höheren Verlustleistungen müssen gekühlt werden. Wichtige Schritte zur Erhöhung der Datentransferrate waren der Wechsel vom parallelen zum seriellen Bus sowie neue, schnelle Protokolle zur Datenübertragung. Neue Bus-Technologien mit einem angepassten Formfaktor wie AdvancedTCA und MicroTCA nutzen von Anfang an serielle Übertragungstechniken, die bewusst auf Abwärtskompatibilität verzichten. Für den „alten“ parallelen CompactPCI-Standard, mit dem auf Europakartenformat basierenden Formfaktor, wurde eine entsprechende serielle Erweiterung geschaffen.

AdvancedTCA löst proprietäre Systeme ab

Bis vor zehn Jahren gab es keinen einheitlichen Standard für modulare Computersysteme in der Telekommunikationsindustrie - jeder Hersteller entwickelte und produzierte proprietäre Systeme, obgleich standardisierte Systeme zu dauerhaften Vorteilen bei Kosten und Zeitaufwand geführt hätten. Mit der Zeit wurde die Idee geboren, einen einheitlichen Standard zu entwickeln, der alle Aspekte solcher Systeme wie Mechanik, Backplane, Entwärmung und Management definiert. Die 2001 veröffentlichte AdvancedTCA-Spezifikation (Advanced Telecom Computing Architecture, PICMG 3.x) hat dies dann auch umgesetzt. Es ist ein PICMG-Standard vor allem für leistungsfähige Kommunikationsserver im Telecom-Bereich, der dem steigenden Datenverkehr mit neuen Datendiensten (z.B. soziale Netzwerke, IPTV in HD oder 3D, Internetvideo-Plattformen, Smartphone Apps) gerecht wird. Vom Konzept her handelt es sich bei AdvancedTCA um eine skalierbare, leistungsfähige Architektur, die hohe Funktionsdichte, Verfügbarkeit und Zukunftssicherheit gewährleistet und auf deren Plattform viele zukunftsorientierte Applikationen wie Media Server, Firewall Server oder Deep Packet Inspection realisiert werden können.

Ein wesentlicher Aspekt war die Schaffung von Systemen (Bild 1) mit hoher Ausfallsicherheit, einem Shelf Management und Remote-Control-Funktionen. Die Größe der Boards wurde so gewählt, dass alle üblichen Komponenten wie Prozessoren, Speicher, Festplatte etc. genügend Platz haben und auch entwärmt werden können. Der Formfaktor wurde gegenüber Europakarten stark vergrößert: 8 HE Höhe, 6 TE Breite und 280 mm Tiefe. Zusätzlich wurde eine von hinten steckbare Einheit (RTM - Rear Transition Modul) mit 70 mm Tiefe definiert, über die typischerweise die hohe Anzahl an Datenleitungen an das System angebunden werden.

Eine wesentliche Neuerung bzw. Herausforderung bei dieser Spezifikation war der Übergang von parallelen Datenbussen, wie sie bis dahin üblich waren, hin zu schnellen seriellen Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Damit war es möglich, in der Datenkommunikation übliche Protokolle (Ethernet, Rapid-I/O, PCIe etc.) über die Backplane zu führen. Ergänzend dazu wurden passende Steckverbinder für Stromversorgung, Management und Signale definiert und entwickelt.

Wichtig bei der Erarbeitung einer neuen Spezifikation ist auch immer der Blick in die Zukunft und die in der Regel weiter steigenden Anforderungen. Das zeigt sich hier zum Beispiel bei der Entwärmung der Systeme. Definiert die AdvancedTCA-Spezifikation zu Beginn noch eine Kühlleistung von 200 W pro Frontboard und 5 W für RTM-Boards, so liegen die aktuellen Kundenforderungen schon bei 400 W pro Frontboard und 30 W für RTM-Boards - das sind Gesamtleistungen von 3 bis 8 kW pro System.

Auch die Anforderungen bezüglich der Datenübertragungsrate steigen stetig: Bei der Definition des Advanced-TCA-Standards betrug die High-Speed-Datentransferrate der Back-plane ca. 10 Gbit/s (vier Lanes à 3,125 Gbit/s, bei 8/10-Kodierung); aktuell werden in einigen Applikationen schon 20 Gbit/s (Nutzbandbreite, vier Lanes à 6,25 Gbit/s) über die Back-plane übertragen. Die nächste Generation an Boards mit 40-Gbit/s-Schnittstelle wird bereits erfolgreich im Labor getestet, und die Schroff-Systeme sind schon jetzt mit Backplanes ausgestattet, die diese 40 Gbit/s übertragen können.

Neu bei AdvancedTCA ist auch, dass das Management, also das kontrollierte Hoch- und Herunterfahren und die Überwachung der Boards, unmittelbar in der AdvancedTCA-Basisspezifikation definiert ist. Als Kommunikations-Bus zwischen den Management-Karten und den Boards wurde das aus der Server-Welt bekannte IPMI-Protokoll gewählt, das physikalisch auf dem I²C-Bus läuft.

AdvancedMC: Kleine Module für AdvancedTCA und MicroTCA

Nach Einführung der AdvancedTCA-Spezifikation wurde sofort die nächste Stufe der Modularität in Angriff genommen. Definiert wurden kleine steckbare Unterbaugruppen, die in die AdvancedTCA-Boards einsteckbar sind. Zielsetzung war, auf diese Weise Boards zum Beispiel mit Speicherkarten, Grafikkarten oder I/O-Karten flexibel konfigurieren zu können. Darüber hinaus sollten die Unterbaugruppen im Betrieb tauschbar sein (Hot Swap) und auch vom Management verwaltet werden. Bisher übliche Unterbaugruppen wie PMC-Karten aus der VME- bzw. CompactPCI-Welt waren nicht hot-swap-fähig und wurden nicht durch ein Management verwaltet. Daraufhin wurde von der PICMG der AdvancedMC-Standard (Advanced Mezzanine Card) entwickelt, der für eine solche Karte alle nötigen Bedingungen wie Mechanik, Steckverbinder und die Management-Einbindung definiert.

AdvancedMC-Module werden über entsprechende Slots in ein AdvancedTCA-Board, den sogenannten AdvancedTCA-Carrier, gesteckt und erweitern so die Funktion der Trägerplatine. Man unterscheidet zwischen AdvancedMC-Modulen einfacher und voller Höhe (Single und Double) und solchen mit drei verschiedenen Breiten (Compact: 3 TE, Full Size: 6 TE und Mid Size: 4 TE). Die AdvancedMC-Architektur unterstützt zudem auch die gängigen seriellen Übertragungsprotokolle mit unterschiedlicher Bandbreite.