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Der neue COM-HPC-Standard

28. Juli 2020, 08:00 Uhr   |  Christian Eder

Der neue COM-HPC-Standard
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HPC steht für »High Performance Computing« und erweitert das Einsatzgebiet der Computer-Module auf Leistungen bis 300 Watt. Für die Module gibt es eine Server- und eine Client-Spezifikation. Was Entwickler und Nutzer wissen sollten.

Einige sehen im HPC-Standard der PICMG eine völlig neue Plattform für völlig neue Anwendungen. Die Embedded-Edge-Server-Fraktion denkt so. Sie muss massive Workloads im rauen Umfeld verarbeiten. Die zweite Fraktion sind die bisherigen COM-Express-Nutzer. Sie schauen nicht so sehr auf die Server-Module des COM-HPC-Standards, sondern vor allem auf die Client-Module. Sie stehen COM-HPC ein wenig skeptischer gegenüber. Sie wollen bestehende COM-Express-Investitionen schützen und fragen sich: Wie lange wird COM Express noch angeboten und muss ich jetzt zu COM-HPC wechseln? Welche Vorteile entstehen für meine Kunden? Für sie ist es vor allem wichtig zu wissen, was die COM-HPC-Client-Module zu bieten haben und wie sie sich von COM Express unterscheiden. COM-HPC spricht deshalb zwei unterschiedliche Zielgruppen an und jede hat einen anderen Bedarf. Welches Potenzial haben also die beiden neuen Sub-Spezifikationen und wie unterscheiden Sie sich?

Standard für Embedded-Server

COM-HPC Server ist der erste wirklich offene Standard für die Entwicklung modularer Embedded-Rack-Server- und Box-Server-Designs für das raue Umfeld. Der Ansatz, standardisierte, applikationsfertige Prozessormodule in Servern einzusetzen, ist in der klassischen Server-Welt bisher noch wenig verbreitet, obwohl er viele Vorteile bietet. Mit ihm lassen sich beispielsweise spezifische Anforderungen hinsichtlich Baugröße und I/Os sehr einfach umsetzen. Es ist lediglich das applikationsspezifische Trägerboard für das COM-HPC-Modul passend auszulegen, die Kernkomponenten wie Prozessor, RAM und High-Speed-Schnittstellen werden als standardisiertes Modul zugekauft. Durch den geringeren Aufwand beim Design des Trägerboards im Vergleich zu einem Full-Custom-Design lassen sich auch kleinere Produktserien effizient umsetzen, wo man vorher mit Standardprodukten häufig unbefriedigende Kompromisse eingehen musste.

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Bild 1: COM-HPC Server spezifiziert zwei unterschiedliche Größen: Size E mit Platz für bis zu acht DIMM-Sockel für aktuell 1 Terabyte RAM und den 20 Prozent kleineren Size-D-Footprint für vier DIMM-Sockel. COM HPC Server und Client nutzen zwar dieselben Steckverbinder mit 2× 400 Pins, sie sind allerdings in einem anderen Abstand zueinander angeordnet. Das verhindert Beschädigungen durch falsch gesteckte Modultypen.

Auch die Performance lässt sich durch das Modulkonzept deutlich kostengünstiger upgraden. Gegenüber einem kompletten Austausch von 1-HE- oder 3-HE-Rack-Systemen können bei modularen Server-Designs rund 50 Prozent der Upgradekosten eingespart werden, weil nur noch das Modul getauscht werden muss. Dieses Konzept verbessert damit auch die Nachhaltigkeit einer Investition sowie die Langzeitverfügbarkeit und den ROI der Lösungen, da sie länger genutzt werden können.

Neben diesen grundsätzlichen Vorteilen eines Modulkonzepts bieten COM-HPC-Server-Module auch einige technische Finessen, die es bislang bei Modulen in dieser Form noch nicht gab. So ist COM-HPC nicht auf x86-Prozessoren beschränkt. Die Spezifikation sieht explizit auch den Einsatz von RISC-Prozessoren, FPGAs und GPUs als Recheneinheiten vor. Erste Samples mit diesen alternativen Recheneinheiten wurden bereits während der embedded world 2020 auf dem Stand der PICMG gezeigt. Damit lassen sich erstmals innerhalb einer einzigen Spezifikation und eines standardisierten Ökosystems heterogene Server-Designs mit verschiedenen Rechen- und Beschleunigerarchitekturen entwickeln und umsetzen, wofür die neue Spezifikation erstmals auch »Slave Modes« für die Module unterstützt. Dadurch vereinfacht sich nicht nur der Entwicklungsprozess bei den Herstellern, sondern sie könnin ihr Know-how auch effizient wiederverwenden.

Mehr Platz, mehr Leistung

COM-HPC-Server-Module wurden spezifiziert, um damit Edge- und Fog-Server zu realisieren, die mit gegenwärtigen und zukünftigen Hochleistungs-Serverprozessoren bestückt sind. Einen Anhaltspunkt über die zumindest mittelfristig zu erwartende Performance gibt dabei das maximale spezifizierte Leistungsbudget von 300 Watt für COM-HPC-Server-Module. Zum Vergleich: Das aktuell leistungsstärkste Server-on-Module nach COM Express Type 7 erlaubt maximal 100 Watt. Skaliert man hoch und rechnet den noch zu erwartenden Performancesprung ein, erkennt man leicht, dass COM-HPC immense Serverlasten abdecken kann.

Neben der hohen möglichen Performance ist auch das Platzangebot auf dem Modul entscheidend für die einsetzbaren Prozessoren und alternativen Recheneinheiten. Das wird deutlich, wenn man einen Blick auf die aktuellen Hochleistungs-CPUs von Intel und AMD mit 16 Cores und mehr oder auch die leistungsstarken FPGAs wirft, die mitunter handtellergroß sind. Für sie steht auf einem COM-HPC-Server-Modul eine Fläche von 200 mm × 160 mm (Size E) bzw. 160 mm × 160 mm (Size D, Bild 1) zur Verfügung. Durch diese vergleichsweise große Fläche lassen sich die Module auch einfacher entwärmen, da entsprechend große Kühlkörper die Abwärme besser verteilen und so entsprechend effizienter abführen können.

Auch bei der Speicherausstattung ermöglichen die großen Modulflächen der COM-HPC-Server-Module mehr Performance. Sie beherbergen vollwertige DIMM-Speichermodule, um die hohen Anforderungen von Mikro-, Edge- und Fog-Servern an Speicher-Bandbreite und -Größe zu erfüllen. Im Size-E-Format können sie bis zu acht DIMM-Sockel und damit aktuell bis zu 1,0 TB Arbeitsspeicher beherbergen. Bei Size D können es maximal vier DIMM-Sockel für aktuell bis zu 512 GB Arbeitsspeicher sein.

COM-HPC ServerCOM-HPC ClientCOM Express Type 665× PCI Express49× PCI Express24× PCI Express8× 25 GbE KR2× 25 GbE KR1× 1 GbEBaseT (bis 10 Gb)2× BaseT (bis 10 Gb/s)

2× USB 4

2× USB 3.2

4× USB 2.0

4× USB 4


4× USB 2.0

4× USB 3.0

8× USB 2.0

2× SATA2× SATA4× SATAeSPI, 2× SPI, SMBeSPI, 2× SPI, SMBSPI, I2C2× I2C, 2× UART2× I2C, 2× UARTExpressCard12× GPIO12× GPIO8× GPIO/SDIO 3× DDI, 1× eDP3× DDI, 1× LVDS/eDP 2× MIPI-CSI2× seriell/CAN 2× SoundWire, I2SHDA

Tabelle 1: COM-HPC und COM Express Type 6 im Vergleich. COM-HPC-Server-Module zeichnen sich durch viele schnelle Schnittstellen, große Netzwerkbandbreite und fehlende Grafik aus. COM-HPC-Clients unterscheiden sich von COM Express Type 6 hauptsächlich durch Anzahl und Bandbreite der PCIe-Lanes, der Ethernet-Schnittstellen und USB-Ports sowie der noch zu spezifizierenden erweiterten Remote-Managemen-Unterstützung.

I/O-Performance und Management der Serverklasse

Auf das Trägerboard überträgt ein COM-HPC-Server-Modul acht 25-GbE- sowie 65 PCIe-Lanes für PCI Express Gen 4.0 und Gen 5.0. Von den 65 Lanes ist eine für die Kommunikation mit einem optionalen Board-Management-Controller auf dem Trägerboard reserviert. Damit bietet COM-HPC Server mit den 64 für Peripherie nutzbaren PCIe-Lanes die nötige Konnektivität, um beispielsweise zusätzliche Rechenbeschleuniger wie GPGPUs, FPGAs und ASICs anzubinden – beispielsweise in Form entsprechender COM-HPC-Module – oder auch NVMe-Speichermedien.

Insgesamt steht Serverdesigns eine I/O-Performance von bis zu 256 GB/s über PCI Express zur Verfügung. Hinzurechnen kann man noch zweimal 40 Gbit/s, die über die zwei USB-4.0-Interfaces bei Thunderbolt-3.0-Ausführung möglich sind, sowie zweimal 20 Gbit/s über die zwei spezifizierten USB-3.2-Schnittstellen. Vier weitere USB-2.0-Schnittstellen runden das USB-Angebot auf COM-HPC-Server-Modulen ab. Neben zweimal SATA werden zudem eSPI, zweimal SPI, SMB, zweimal I²C, zweimal UART und zwölf GPIOs unterstützt, um einfache Peripherie und klassische Kommunikationsschnittstellen, beispielsweise für Servicezwecke, zu integrieren. Ein zusätzlicher Ethernetanschluss mit 10 Gb/s liefert einen Kommunikationskanal, der eigens für das Remote- und Out-of-Band-Management genutzt werden kann (Tabelle 1).

Eine weitere Neuheit, die mit COM-HPC erstmals eingeführt wird, ist ein dediziertes System-Management-Interface. Diese Schnittstelle wird gerade im »PICMG Remote-Management«-Subkomitee erarbeitet. Das Ziel ist, Teile des im Intelligent Plattform Management Interface (IPMI) spezifizieren Funktionssatzes für das Remote-Management von Edge-Server-Modulen verfügbar zu machen. Ähnlich wie bei der Slave-Funktion wird COM-HPC also auch für das Remote-Management erweiterte Funktionen zur Kommunikation mit den Modulen bereitstellen. Diese Funktionen bieten Geräteherstellern und Anwendern die bei Servern übliche Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Wartbarkeit und Sicherheit. Diese Funktionen lassen sich über den auf dem Trägerboard zu implementierenden Board-Management-Controller auch noch individuell ausbauen, sodass die Gerätehersteller eine immer gleichbleibende Basis für das Remote-Management erhalten, die sie nach ihren Anforderungen aber beliebig erweitern können.

Congatec
© Congatec

Bild 2: COM-HPC Client definiert – wie COM Express – drei unterschiedliche Footprints. Allerdings ist die kleinste Size A schon fast so groß wie COM Express Basic. Damit lässt sich direkt erkennen, dass sich COM-HPC oberhalb von COM Express positioniert.

COM-HPC Client: drei Größen

Während sich die COM-HPC-Server-Spezifikation auf komplett neue Embedded-Edge-Server-Designs konzentriert, gibt es auch noch die »klassischen« High-Performance-Embedded-Systeme, bei denen bislang COM Express Type 6 zum Einsatz kommt. Anwender stellen sich deshalb die Frage, ob COM-HPC ihre bestehenden COM-Express-Designs nicht obsolet machen wird, wann sie am besten auf COM-HPC wechseln sollten und welche Vorteile COM-HPC ihnen und ihren Kunden bietet. Dafür ist wichtig zu wissen, welche Funktionen COM-HPC-Client-Module im Detail bieten, und was sie von den bestehenden COM-Express-Modulen unterscheidet.

In vielen Bereichen ähneln sich die beiden Standards mehr, als sie sich unterscheiden. Genauso wie COM Express spezifiziert COM-HPC-Client-Module in drei Größen: 120 mm × 160 mm (Size C), 120 mm × 120 mm (Size B) und 120 mm × 95 mm (Size A, Bild 2). Damit ist also der kleinste Footprint von COM-HPC Client fast genauso groß wie COM Express Basic mit 125 mm × 95 mm. Schon dadurch lässt sich erkennen, dass sich COM-HPC Client oberhalb von COM Express verortet und damit Leistungsklassen adressiert, die sich mit COM Express nicht erreichen lassen.

Das wird auch an dem unterstützten Leistungsbudget von 200 Watt deutlich, das ungefähr das dreifache der aktuell leistungsstärksten COM-Express-Type-6-Module beträgt. Für den Arbeitsspeicher greift COM-HPC Client wie auch COM Express auf SODIMMs oder gelöteten Speicher zurück. COM-HPC kann aber mit bis zu vier SODIMM-Sockeln mehr Speicher beherbergen. Allerdings sind mit COM Express auch schon 96 GB möglich, sodass auch hier bereits hohe Speicheranforderungen erfüllt werden.

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1. Der neue COM-HPC-Standard
2. Mehr und schnellere Schnittstellen

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