COM-HPC Smarte Anwendungen im Internet of Things

Mit COM-HPC sollen Computer-on-Modules noch leistungsfähiger werden.
Mit COM-HPC sollen Computer-on-Modules noch leistungsfähiger werden.

COM-HPC ist der kommende neue PICMG-Standard für Hochleistungs-Computer-on-Modules. Jüngst wurden das Pinout und somit ebenfalls die Funktionen offiziell vorverabschiedet. Elektronik veröffentlicht erstmals weitere Details.

Im November 2019 wurden essenzielle Punkte für den COM-HPC-Standard vom PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group)-Subkomitee verabschiedet: die physikalischen Footprints und das Pinout. Somit ist der erste Schritt getan. Im ersten Halbjahr 2020 soll dann als nächster Schritt die offizielle Zulassung der COM-HPC-Spezifikation durch die PICMG erfolgen. Unternehmen, die an der Spezifikation mitgearbeitet haben, erhalten die Möglichkeit, zeitnah zur offiziellen Zulassung erste Produkte auf dem Markt vorzustellen. Was bis dahin an die Öffentlichkeit geraten darf, ist strikt limitiert. Elektronik berichtet als erstes deutsches Magazin vorab detaillierter über das Pinout und die Footprints des COM-HPC-Standards (Bild 1). Den neuen Standard werden viele Entwickler von High-Speed Embedded-Systemen für kommende Prozessorgenerationen der High-End-Embedded- beziehungsweise Mid-Class-Server-Kategorie von Intel und AMD nutzen. IHS Markit, Informationsdienstleister für die Elektronikbranche, geht davon aus, dass Computer-on-Modules (CoMs) im Jahr 2020 rund 38 Prozent des Gesamtumsatzes bei Embedded Computing Boards, Modulen und Systemen ausmachen. Entsprechend bedeutend sind die Veränderungen in dem Markt, der seit den ersten markt­reifen, verfügbaren CoMs zwei wichtige Standards für das High End Embedded Computing hervorgebracht hat: ETX und sein Nachfolger COM Express.

Höhere Leistungsfähigkeit, mehr Schnittstellen

In der Elektronik Ausgabe 14/2019 wurde bereits eine Übersicht über die Entwicklung des Marktes, der Historie und der Gegenwart der CoM-Standards veröffentlicht und ein erster Ausblick auf COM-HPC gegeben (Bild 2). Hier wurden bereits die Hintergründe für den Bedarf einer neuen Spezifikation als Ergänzung zu COM Express skizziert. Der COM-HPC-Standard ist recht einfach zu beschreiben: Embedded-Computer brauchen aufgrund der digitalen Transformation zunehmend eine hohe Leistungsfähigkeit und das möglichst ohne Grenzen. Nur so können sie die neue Klasse der Embedded-Edge-Server bedienen. COM Express bietet mit seinen 440 Pins nicht genügend Schnittstellen für Edge-Server mit hoher Leistung. Ebenso erreicht die Performance des COM Express Konnektors langsam seine Grenze. Zwar kann COM Express die Taktrate von 8,0 GHz und die Übertragungsrate von 8 Gbit/s von PCIe-Schnittstellen der 3. Generation problemlos bewerkstelligen. Bei den neuesten technischen Fortschritten wie PCIe der 4. Generation stehen relevante Test­ergebnisse jedoch noch aus. Zum Beispiel in Hinblick darauf, ob es möglich ist, die Daten problemlos über den Konnektor zu leiten.

Hohe Leistungen nötig

Eine neue Klasse an Edge-Servern mit hohen Leistungen kommt derzeit in zahlreichen industriellen Anwendungen zunehmend als verteilte Systeme im rauen Umfeld mit erweiterten Temperaturbereichen zum Einsatz. Die Server bedingen eine extrem hohe Embedded-Performance am Edge und eine erweiterte Vernetzungsfähigkeit. Ein einfaches Bild verdeutlicht das: Ein autonomes Fahrzeug, das mittels Kamerasystemen und künstlicher Intelligenz (KI) Situationsbewusstsein erlangen soll, kann in einer brenzligen Situation nicht abwarten, bis ein Algorithmus in der Cloud durchgerechnet wurde. Es muss sofort reagieren können.

Gleiches gilt für kollaborative Roboter. Hierzu möchte ein Entwickler neben mindestens 10 Gigabit Ethernet (GbE)-Konnektivität eine Vielzahl an parallelen Recheneinheiten im System verwenden. Beispielsweise, um Daten von bildgebenden Sensoren vorzuverarbeiten oder komplexe Deep Learning (DL) Algorithmen auszuführen. Hierfür kommen heute zunehmend flexibel und multifunktional nutzbare GPGPUs (General Purpose Computation on Graphics Processing Units) zum Einsatz. Sie ersetzen häufig FPGAs (Field Programmable Gate Arrays) und DSPs (Digital Signal Processors) und brauchen entsprechende High-Speed-Verbindungen in Richtung der zentralen CPU-Kerne. Je komplexer die Aufgaben, desto mehr solcher Verbindungen werden benötigt. COM-HPC bietet mithilfe der zahlreichen PCI Express Lanes das Poten­zial, deutlich mehr Beschleunigerkarten in einem COM-HPC-System zur weiteren Leistungssteigerung zu betreiben, als es mit COM Express jemals möglich war.

Parallele Datenverarbeitung

Ein Setup aus leistungsfähiger CPU und massiv paralleler  Datenverarbeitungskapazität erfordert neben der Industrie auch die medizinische Bildgebung, bei der ebenfalls zunehmend künstliche Intelligenz zum Einsatz kommt. Sie unterstützt die Befundung des Arztes auf Basis von bereits realisierten Befunden. Gleichen Performance-Bedarf haben ebenfalls die unzähligen Kamerasysteme, die bei industriellen Inspektionen und in öffentlichen Videoüberwachungssystemen zum Einsatz kommen. Zudem braucht der gesamte Bereich der Industrie-4.0-Anwendungen ein Mehr an leistungsfähiger Konnektivität. In Industrie-4.0-Systemen sind ehemals stand­alone-betriebene Maschinen und Anlagen zunehmend vernetzt. Das stellt entsprechende Highspeed-­Anforderungen an die Schnittstellen der eingebetteten Systeme. Ausschließlich so sind höchst leistungsfähige Internet-Lösungen umzusetzen, inklusive TSN (Time Sensitive Networking) Support für taktiles Echtzeitverhalten.

Zudem sind zunehmend mehr Workloads in einem einzigen System zu konsolidieren. Hierzu zählen neben Datenvorverarbeitung von Kamerasystemen und Deep Learning, ebenso Firewalls und Sniffing-Systeme zur Angriffserkennung. Die Systeme müssen parallel zu den laufenden Anwendungen quasi gleiche Lasten verarbeiten – das verdoppelt die Anforderungen und erfordert den Einsatz von Hypervisor-Techniken für echtzeitfähige virtuelle Maschinen wie den RTS Hypervisor von Real Time Systems. Weitere Anwendungsgebiete sind Daten-Grabber für Automotive-Testsys­teme und 5G Messtechnik sowie industrielle Storage-Systeme mit schnellem, über PCIe angebundenem NVMe-Speicher. Ebenfalls können Edge-Logik an 5G-Funkmasten sowie modulare Blades im Industrieserverschrank von hochleistungsfähigen Computer-on-Modules profitieren.

PICMG und COM-HPC – eine Übersicht
Die PCI Industrial Computer Manufacturers Group, kurz PICMG, ist ein Konsortium aus über 140 Unternehmen, die gemeinsame Spezifikationen für Indus­trieanwendungen erarbeiten. Zu den Mitgliedern der COM-HPC-Arbeitsgruppe zählen die Unternehmen Acromag, Adlink, Advantech, AMI, Amphenol, Congatec, Elma Electronic, Emerson Machine Automation Solutions, Ept, Fastwel, GE Automation, Heitec, Intel, Kontron, Men Mikro Elektronik, MSC Technologies, N.A.T., nVent, Samtec, Seco, TE Connectivity, Trenz Electronic, Universität Bielefeld und VersaLogic. Zudem treten die Unternehmen Adlink, Congatec und Kontron als Sponsoren des Komitees auf. Vorsitzender der COM-HPC-Arbeitsgruppe ist Christian Eder. Er war bereits als Draft Editor an der Weiterentwicklung des aktuellen COM-Express-Standards beteiligt. Stefan Milnor von Kontron und Dylan Lang von Samtec unterstützen Christian Eder außerdem in ihren Funktionen als Editor und Schriftführer der Arbeitsgruppe.