COM-Express-Type-7-Server-Module für schnellen Datentransfer

In den letzten Jahren haben sich standardisierte Computer-On-Module (COMs) in praktisch allen Märkten durchgesetzt. Die treibenden Kräfte sind neue Anwendungen in den Bereichen Industrial IoT, Automatisierung, Transportation, Energietechnik, Gebäudeautomatisierung, Telekommunikation und Medizin. Auch leistungsfähige Storage- und Netzwerkanwendungen werden immer mehr mit sofort einsetzbaren Hardware-Lösungen unterschiedlicher Leistungsdaten realisiert.

Bild 1: Signalvergleich COM Express Type 7, Type 6 und Type 10. Avnet Integrated

Bild 2: Die COM-Express-Type-7-Modulfamilie MSC C7B-DV bietet vier 10-Gb-Ethernet-Schnittstellen und bis zu 22 PCIe Lanes. Avnet Integrated

Bild 3: Die COM-Express-Type-7-Modulfamilie MSC C7B-DVL verfügt über bis zu 14 PCI Express (PCIe) Lanes. Avnet Integrated

Die Beispiele für den Einsatz von leistungsfähigen Server-Modulen sind vielfältig. Dank ihrer sehr guten Netzwerkfähigkeiten sind sie in der Lage, schnelle Ethernet Switches in Datenzentren und Gebäudeinstallationen zu managen. Dank der auf dem Board integrierten Security Engine können Security-Protokolle schnell verarbeitet und komplexe Verschlüsselungsalgorithmen ausgeführt werden. Eine weitere Anwendung ist die Bündelung und Vorverarbeitung von großen Datenmengen, zum Beispiel von Kameras einer Verkehrsüberwachung. Die Kamera-Interfaces werden über PCI Express angebunden. Auch in automatischen Testanlagen, zum Beispiel für Fahrerassistenzsysteme in der Automobilindustrie, kommen Server-Module zum Einsatz. Hier fallen in kurzer Zeit große Datenmengen an, die über die leistungsfähigen Schnittstellen eingelesen und vorverarbeitet werden. Ein breites Anwendungsfeld bieten auch bildgebende und datenverarbeitende Geräte in der Medizintechnik.

„Ready-to-use“ Embedded-Module

Die „Ready-to-use“ Embedded-Module bieten eine aktuelle PC-Funktionalität mit skalierbaren Leistungsdaten und unterschiedlichen Schnittstellen. Über einen gängigen Standardstecker wird das Modul einfach auf ein Carrier-Board gesteckt, auf dem alle anwendungsspezifischen Funktionen realisiert sind. Mit diesen Eigenschaften lassen sich die Entwicklungszeiten und Design-Kosten von modernen Embedded-Systemen deutlich optimieren. Die leistungsfähigen COMs laufen zuverlässig im 24/7-Betrieb und verfügen bereits standardmäßig über ausgefeilte Hardware- und Software-Sicherheitsfunktionen. Bei einem gewünschten Update beziehungsweise Upgrade des Systems, zum Beispiel bei einer neuen Prozessorgeneration, lässt sich das Modul einfach austauschen. Darüber hinaus sind die eingesetzten Komponenten bis zu fünfzehn Jahre, gezählt ab der Markteinführung des Prozessors, lieferbar.

In Zukunft eröffnet sich für skalierbare Embedded-Module, die speziell für Server-Anforderungen ausgelegt sind, ein weiterer, riesengroßer Markt mit vielversprechenden Anwendungen. Um der wachsenden Nachfrage an Netzwerkfähigkeiten bei gleichzeitig hoher Computing-Performance Rechnung zu tragen, hat das PICMG-Konsortium (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) in der COM.0-Revision 3.0 der COM-Express-Spezifikation den Type-7-Standard definiert. Type-7-Boards werden im Basic-Format mit einer Abmessung von 95 mm × 125 mm angeboten.  Die Stecker sind für maximal 137 W ausgelegt. In einer typischen Umgebung sollten die Module jedoch nicht mehr als 60 bis 70 W Verlustleistung aufnehmen. Type 7 unterscheidet sich von den etablierten Type 6 und Type 10 Pinouts vor allem durch seine Schnittstellen, die für Server-Systeme optimiert sind (Bild 1).

Hohe Rechenleistung, schneller Datentransfer, geringe Verlustleistung

COM Express Type 7 unterstützt Schnittstellen für Server-Anwendungen, die sich durch eine hohe Rechenleistung, schnellen Datentransfer und geringe Verlustleistung auszeichnen. Dazu zählen bis zu vier 10-Gb-Ethernet-Ports zur komfortablen Vernetzung von Servern und bis zu 32 PCI Express Lanes zur schnellen Anbindung von Speichern und der Erweiterung zusätzlicher Schnittstellen. Da die bekannten COM-Express-Stecker mit 440 Pins bestehen bleiben, entfallen dafür Grafik-  und Audioschnittstellen, USB 2.0 Ports, Sata-2.0-Anschlüsse, HD Audio und alle Display-Interfaces.

Für die nächste Generation von Fog/Edge-Computing-Servern unterstützt COM Express Type 7 neben einer bereits vorhandenen 1-Gb-Schnittstelle bis zu vier 10 GbE Interfaces. Diese basieren auf 10GBase-KR und unterstützen eine maximale Datenrate von je 10 Gb/s. 10GBase-KR läuft über nur eine Lane und verwendet die in IEEE 802.3 Paragraf 49 definierte Physical-Layer-Codierung. Die physische Implementierung der 10-GbE-Schnittstellen erfolgt nicht auf dem Modul, sondern auf dem Carrier-Board. Bei der Implementierung auf dem Carrier-Board wird flexibel festgelegt, ob die Signalübertragung über Glasfaser oder Kupferkabel erfolgt. Die Implementierung kann auch mithilfe austauschbarer Small-Form-Factor-Pluggable-Module („SFP+“-Module) oder RJ45-Anschlüsse erfolgen.

Per Spezifikation definierter Pin

Die Spezifikation sieht einen per Software definierten Pin für jede der vier 10-GbE-Schnittstellen vor. Der Pin kann als Eingang oder Ausgang definiert werden und wird vom Ethernet-Controller gesteuert. Dieses Feature erleichtert die Implementierung eines hardwarebasierenden Precision Timing Protocols in leistungsfähigen Echtzeitanwendungen.

Moderne Server-Anwendungen benötigen typischerweise mächtige und schnelle SSD-Speicher. Um diese Anforderung zu erfüllen, sieht COM Express Type 7 eine hohe Anzahl an PCI Express (PCIe) Lanes vor. Dazu wurden zwei Sata-3-Schnittstellen des Type-6-Standards durch PCIe Interfaces für Massenspeicher ersetzt. PCIe 3.0 × 2 bietet 16 Gb/s und PCIe 3.0 × 4 32 Gb/s in jede Richtung.

In der Server-Welt kommen häufig Baseboard-Management-Controller (BMC) zum Einsatz, die die Verwaltung durch Fernzugriff per Out-of-Band (OOB) vereinfachen und die Sicherheit des Embedded-Server-Systems erhöhen. Protokoll und Schnittstelle sind durch das Network Controller Sideband Interface (NC-SI) definiert und für COM-Express-Type-7-Module spezifiziert.

Der NC-SI-Standard wurde von der Distributed Management Task Force (DMTF) festgelegt und verbindet den Netzwerk-Controller mit dem OOB-Management-Controller, der optional auf dem Carrier-Board implementiert werden kann.

Als Hersteller von Computer-on-Modulen bietet Avnet Integrated zwei leistungsfähige Modulfamilien an, die dem Type-7-COM-Express-Standard der PICMG entsprechen (Bilder 2 und 3). Wie alle Embedded-Module werden auch diese Produkte in den MSC-eigenen Design-Centern entwickelt und in modernen Fertigungsstätten hierzulande in großen Stückzahlen gefertigt.

Typische Anwendungen sind das Thema der nächsten Seite

Bild 4: Das Carrier Board MSC C7-MB-EV ermöglicht den schnellen Einstieg in COM Express Type 7. Avnet Integrated

Typische Anwendungen der robusten Server-Modulfamilie sind in den Bereichen Fog/Edge Computing, Switching/Routing, Industrial IoT, automatische Testgeräte sowie industrielle Bild- und Videoverarbeitung zu finden. Für Netzwerkgeräte, die im Außenbereich eingesetzt werden, sind einzelne Module auch für den Betrieb in rauen Umgebungen im erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +85 °C spezifiziert.

Beide COM-Express-Type-7-Modulfamilien MSC C7B-DV und MSC C7B-DVL integrieren einen Server-Prozessor aus der Intel-Atom-C3000-Serie („Denverton“). Der Prozessor zeichnet sich durch ein optimiertes Performance/Watt-Verhältnis und eine niedrige TDP (Thermal Dissipation Power) von 17 bis 31 W aus. Die Prozessorfamilie Intel Atom C3000 umfasst Versionen mit zwei bis 16 Cores und ermöglicht über den integrierten Speicher-Controller die Anbindung von schnellem DDR4-2400-MHz-Speicher mit optionaler Fehlerkorrektur. Ein Platform Controller Hub (PCH) ist integriert. Die Typen bieten bis zu vier Ethernet-Schnittstellen mit 10 Gbit. Bis zu 20 flexible High-Speed-Intput/Output (HSIO) -Schnittstellen lassen sich als PCIe Gen 3, Sata 3, USB 3.0 oder eMMC konfigurieren. Die Prozessoren unterstützen QAT (Intel Quick Assist Technology) bis zu 20 Gbps, Intel x86 64-bit Software-Support, VT-x und VT-d.

Die Type-7-Module lassen sich flexibel mit sieben verschiedenen Server-Prozessortypen der Intel-Atom-C3000-Serie mit bis zu sechzehn Cores bestücken. Das Flaggschiff integriert den Intel-Atom-Server-Prozessor C3958 mit 16 Cores. Die Module können über zwei 260-Pin-SO-DIMM-Sockel schnelle DDR4-SDRAMs mit einer maximalen Kapazität von 48 GB aufnehmen. Optional sind Bausteine mit Error Correction Code (ECC) einsetzbar. Das integrierte Trusted Platform Module TPM 2.0 von Infineon sorgt für eine zusätzliche Security bei kritischen Netzwerkinstallationen.

Für eine hohe Netzwerk-Bandbreite

Für eine hohe Netzwerk-Bandbreite sorgen bis zu fünf Ethernet-Schnittstellen, davon vier mit 10 Gb Transferrate und ein 10/100/1000Base-TX-Anschluss. Das Modul MSC C7B-DV bietet bis zu 22 PCI Express (PCIe) Lane für flexible Systemerweiterungen und den Anschluss von schnellen SSD-Speichern. Das MSC C7B-DVL verfügt über bis zu 14 PCI Express (PCIe) Lanes Gen.3, die üblicher Industriepraxis folgen und direkt ohne Switch zum COM-Express-Stecker geroutet sind. Dieses Feature unterstützt einen einfachen Übergang zur nächsten Modulgeneration und damit die Sicherstellung der Investitionen in das System-Design. Zusätzlich sind auf dem Board unter anderem zwei Sata 6 Gb/s Interfaces, USB 3.0 und USB 2.0 Ports sowie zwei serielle High-Speed-Anschlüsse vorhanden.

Avnet Integrated liefert zur schnellen Evaluierung der Modulfamilien das passende Type 7 Carrier-Board MSC C7-MB-EV im ATX-Format und ein komplettes Starter Kit MSC C7B-DV (Bild 4). Das Starter Kit umfasst das Carrier-Board, DDR4 SO-DIMMs, eine Heatsink mit Lüfter und ein passendes Netzteil. Das Carrier-Board kann optional mit einem Board-Management-Controller bestückt werden, der Remote Maintenance unterstützt.

(neu)