Interview zu COM-HPC Mini

Klein, performant, viele Schnittstellen

5. September 2022, 15:00 Uhr | Tobias Schlichtmeier
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Trotz ihrer geringen Größe von geplanten 95 mm × 60 mm sollen COM-HPC-Client-Module im Mini-Format einen umfassenden Satz an Schnittstellen bieten: Vorgesehen sind z. B. 16x PCIe, 3x Grafik und Support mehrerer USB4-Interfaces.
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Auf der embedded world im Juni stellte die PICMG einen neuen Computermodul-Standard vor. Mit COM-HPC Mini erweitert die Standardisierungsgruppe den HPC-Standard um kleine, scheckkartengroße Boards. Welche Features der Standard bereithält, erklärt Christian Eder im Interview.

Markt&Technik: Herr Eder, auf der embedded world hat die PICMG den neuen COM-HPC-Mini-Standard vorgestellt. Er soll das Angebot an Modulstandards für das High Performance Computing noch einmal erweitern. Mit welchen Features wartet der neue Standard auf?

Christian Eder: Das wesentliche neue Merkmal ist, dass wir einen High-End-Formfaktor für scheckkartengroße Computer-on-Modules (CoMs) entwickelt haben. Er positioniert sich damit – so wie alle COM-HPC-Module – oberhalb der Performanceklassen von COM-Express-Modulen, bezogen auf die scheckkartengroßen Module also oberhalb von COM Express Mini. Der neue Connector von COM-HPC unterstützt Übertragungsraten von mehr als 32 Gbit/s, womit er PCIe Gen 4 und Gen 5, voraussichtlich sogar Gen 6 abdeckt. An Schnittstellen sind unter anderem 16 PCIe-Lanes neben drei Grafikschnittstellen sowie diverse USB-3.2- oder USB-4.0-Schnittstellen geplant. Hiermit erreichen wir eine sehr gute Performance für solch ein kleines Format.

Worin liegen die Unterschiede zu COM-HPC-Client-Modulen?

Sie sind lediglich halb so groß wie das kleinste COM-HPC-Client-Modul – bei Size A sind das 95 mm × 120 mm. Wir reduzieren diese Größe auf 95 mm × 60 mm. Anders als bei den Client-Modulen ist nur ein Modulstecker vorgesehen – es stehen also 400 Pins bereit. Gegenüber COM Express Mini ist das ein immenser Schritt nach vorne. Dort stehen lediglich 220 Pins zur Verfügung. Das sind satte 81 Prozent mehr, gegenüber SMARC mit 314 Pins immerhin noch ein Plus von 27 Prozent. Zusammen mit der Qualifikation des COM-HPC-Connectors für hohe Bandbreiten also ebenfalls ein sattes Plus.

Verdrängt COM-HPC Mini COM Express Mini?

COM-HPC Mini gilt nicht als Ablöse für COM Express Mini oder SMARC, denn auch COM Express war nicht die Ablösung von ETX, und COM-HPC ist es nicht für COM Express. Wir unterstützen vielmehr bestehende Designs noch lange weiter. So gibt es heute noch ETX/XTX-Module, mit denen Kunden weiter auf Basis der damaligen Designgrundlagen arbeiten. Mit COM-HPC Mini adressieren wir neue Designs, die mehr und schnellere Schnittstellen benötigen.

Können auch COM-Express-Compact-Entwickler auf den neuen Standard wechseln?

Auf jeden Fall! Solche Designs bekommen mit 400 Pins zwar lediglich 80 Prozent der I/O-Optionen von COM Express Compact sowie Basic, die beide 440 Pins bieten, hierfür jedoch deutlich mehr Performance sowie die Option, platzsparende Designs weiter zu miniaturisieren. Es gibt nicht viele COM-Express-Designs, die 100 Prozent aller I/O-Schnittstellen nutzen. Insofern verbirgt sich hier ebenfalls ein großes Wechselpotenzial.

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Von µQseven bis COM-HPC Mini steigen sowohl die Anzahl der Pins als auch die Größe. In etwa gleichen alle jedoch der Größe einer Scheckkarte (85,6 mm × 53,98 mm).
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Für welche Einsatzbereiche ist der scheckkartengroße High-Performance-Standard prädestiniert?

COM-HPC Mini ist für alles gedacht, was hochperformant sein soll, aber besonders klein, zum Beispiel Hutschienen-PCs in der Industrie, Multi-Display-Systeme am Point of Sale, solarbetriebene Systeme im Outdoor-Bereich, verfahrbare und tragbare Systeme in der Medizintechnik, robuste Tablets und Handhelds mit Batteriebetrieb oder kleine autonome Vehikel wie Drohnen oder autonome mobile Roboter. Sie alle benötigen für das Implementieren aktueller Schnittstellentechnik den neuen Standard.

Die neue Spezifikation erweitert außerdem die Funktionen um funktionale Sicherheit (FuSa). Welches Ziel steckt hinter der Erweiterung?

Die neuen Erweiterungen für funktionale Sicherheit zielen auf einen vielversprechenden Markt: Entwickler von vernetzten Geräten wollen x86-Prozessortechnik nutzen, um gemischt-kritische Anwendungen auf Multicore-Prozessoren auszuführen. Das erfordert Redundanz sowie die Möglichkeit, fehlersichere Prozesse zu implementieren. Neben Steuerungsanwendungen der funktionalen Sicherheit, die eine IoT- und Industrie-4.0-Gateway-Erweiterung benötigen, zielt die neue Spezifikation auf kollaborative Robotik, die eng mit dem Menschen zusammenarbeitet. Weitere Märkte ergeben sich aus den Anforderungen der automatisierten Intralogistik mit autonomen Logistikfahrzeugen. Sie erstrecken sich von der Fabrikmobilität bis hin zu allen neuen Märkten, die im autonomen Fahren zu finden sind. Weiterhin von Land- und Baumaschinen über Smart-City-Fahrzeuge sowie AUVs bis hin zu UAVs.

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Christian Eder, congatec: »COM-HPC Mini gilt nicht als Ablöse für COM Express Mini oder SMARC.«
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Was erhofft sich die PICMG mit der FuSa-Erweiterung?

Das Ziel ist, COM-HPC-Prozessormodule als fertige Komponenten für FuSa-Applikationen bereitzustellen. Sie sollen ebenfalls kritische Aufgaben übernehmen können, wie sie beispielsweise unser COM-Express-Mini-Modul »conga-MA7« bereits übernimmt. Es integriert die für FuSa qualifizierte Intel-CPU »x6427FE« mit Safety Island Support. Wir erfüllen für das Modul alle erforderlichen Anforderungen, die Kunden für den Einsatz des Moduls in ihren FuSa-Applikationen benötigen. Zudem stellen wir die Dokumentation sicher und gewährleisten einen sicheren Entwicklungsprozess. Alle organisatorischen Prozesse und Dokumente, die wir während der Entwicklung und den Tests erstellen, bringen wir ebenfalls mit den Zertifizierungsanforderungen in Einklang und lassen sie von externen Gutachtern prüfen. Hierzu zählen eine »Failure Modes, Effects and Diagnostic Analysis« (FMEDA) sowie ein Verifikations- und Validierungsprozess.

Welche Vorteile ergeben sich hieraus für Entwickler?

Derart applikationsfertige und für FuSa vorbereitete CoMs vereinfachen und verkürzen den Entwicklungsprozess von sicherheitskritischen Systemen. Sie bringen eine Zertifizierung für die verschiedenen Sicherheitsstandards mit, die analog zum ICE-61508-Standard für funktionale Sicherheit von elektronischen Systemen entwickelt werden. Also für Applikationen in Eisenbahnanwendungen (EN 50129/EN 50657), Nutz- und Landwirtschaftsfahrzeugen (ISO 26262), ziviler Luftfahrt (DO 254), Steuerungen in der Automation (IEC 61508) sowie medizinischen Anwendungen (IEC 62304). Entwickler profitieren bei FuSa-zertifizierten Modulen zudem bei der Sicherheitszertifizierung nach dem Common-Criteria-Standard. Viele Grundlagen von FuSa sind hierfür ebenfalls nötig.

Gibt es auch Nachteile? Zum Beispiel wenn ich Applikationen bediene, die kein solches Sicherheits-Level erreichen müssen?

Nein. Es werden keine Pins belegt, die ansonsten andere Funktionen hätten. Entwickler gewinnen eher die Sicherheit, dass alle Komponenten auf dem Modul beispielsweise eine validierte und verifiziert hohe Ausfallsicherheit haben.

Wie wichtig sind Hypervisoren für funktionale Sicherheit in dem Kontext?

Sehr wichtig, denn im High-End-Bereich von COM-HPC will man echtzeitfähige Applikationen sauber von den weiteren Anforderungen trennen können. Es sind oft Mixed-Critical-Systeme, die sowohl Steuerungsaufgaben als auch Visualisierungen und Gateway-Funktionen übernehmen. Diese kann man nicht einfach mit einem Betriebssystem und Containern für die Virtualisierung entwickeln. Es ist vielmehr erforderlich, dass sich funktional sichere und »normale« virtuelle Maschinen nebeneinander hosten lassen. Man will beispielsweise Safety-Betriebssysteme wie das Linux-basierte Zephyr oder QNX bündeln, zum Beispiel mit Fahrerassistenzsystemen für mobile Maschinen und Software-Update-Funktionen für Connected Devices, unter anderem für die Cybersicherheit.

Aber auch für kontinuierliche Software Updates abseits der FuSa-Funktionen. Deshalb sind wir froh, dass wir mit Real-Time Systems eine Tochter haben, die genau eine solche Komplettlösung bereitstellt. Zudem hilft uns unsere Kooperation mit Sysgo, denn das Unternehmen bietet mit PikeOS einen Safety-Hypervisor in Kombination mit dem gleichnamigen RTOS an.

Herzlichen Dank für das Gespräch, Herr Eder.


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