Die Design-Herausforderung COM Express Type 7

Es gibt in vielen Rugged-Anwendungsbereichen eine erhöhte Nachfrage nach Netzwerken mit niedriger Latenz und hoher Bandbreite und damit auch nach Equipment mit 10-GbE-Support:

• Mobiles Broadcasting-Equipment muss immer höhere Video- und Tonauflösungen verarbeiten.
• Mobile Rechenzentren müssen immer mehr mobile Clients mit hohen Datenraten versorgen.
• Small Cells für 5G-Telekommunikationsnetzwerke haben ähnliche Aufgaben.
• Videoüberwachungsapplikationen müssen Gesichtserkennung und Bewegungsverfolgung unterstützen.
• Robotik wird kollaborativ durch Videoerkennung und Deep Learning.
• Fahrzeuge werden autonom, indem sie Daten aus verschiedenen hochauflösenden Quellen analysieren.
• Highend-Radar-, Sonar-, Infrarot- und Videosensoren erzeugen riesige Nutzlasten auch in vielen anderen Situational-Awareness-Anwendungen – bis hin zu nahezu jedem modernen Verteidigungsequipment.

All diese Systeme müssen die Workloads vieler angebundener Prozessoren verarbeiten – manchmal sogar über mehrere Hosts hinweg und auch in vermaschten Netzwerkumgebungen. Dadurch steigen die Anforderungen an Netzwerk-Equipment von bislang 1 GbE auf aktuell 10 GbE und das alles inklusive Echtzeitfähigkeit.

Standard-19-Zoll-Rackserver sind jedoch zu groß, zu schwer und zu stromfressend für solche Applikationen. OEM-Equipment, das in diesen Bereichen eingesetzt wird, muss zudem auch robuster sein, um rauen Umgebungsbedingungen wie EMI, Stößen und Vibrationen, extremen Temperaturen und Temperaturschwankungen sowie hoher Luftfeuchtigkeit standzuhalten. Außerdem muss es dediziert auf die Anwendungen ausgelegt sein, was bedeutet, dass eine perfekt angepasste Form und ein ebensolches Feature-Set erforderlich sind. Deshalb ist es erforderlich, Systeme von allen unnötigen Komponenten zu befreien und zusätzliche externe Adapter oder Konverter zu vermeiden, damit sie ihre Aufgaben effizient erfüllen können und zu einer einzigen, einfach zu handhabenden, im Feld austauschbaren Einheit werden.

Anwendungsbereite Superkomponenten für dedizierte Server

Um genau diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat PICMG die neue COM-Express-Type-7-Spezifikation für Server-on-Modules entwickelt. Module, die auf diesem neuen Standard für das kundenspezifische Rugged-Server- und Netzwerk-Equipment basieren – einschließlich Rugged-Cloud-, Edge- und Fog-Server – ermöglichen sehr flexible Designs. Auch machen sie die Anpassung kundenspezifischer Designs deutlich weniger zeitaufwendig, da sie einen anwendungsbereiten Rechenkern in einem vom Hersteller unabhängigen standardisierten Formfaktor liefern. Durch den Einsatz von COM Express Type 7 Server-on-Modules können Entwickler ihre Designs durch einen einfachen Modulwechsel zudem sofort mit neuer Prozessortechnologie aufrüsten.

Die Anpassung der Interfaces an den applikationsspezifischen Bedarf erfolgt auf dem Carrierboard der Module, was in den meisten Fällen ein kundenspezifisches Carrierboard mit entsprechenden NRE-Kosten erfordert. Trotzdem sind solche PCB-Layouts weit weniger komplex als die Entwicklung eines komplett kundenspezifischen Serverboards mit all seiner erforderlichen Logik-Implementierung, die bei Modulen standardmäßig zum normalen Lieferumfang gehört.

Die Logik, die Server-on-Modules bereitstellen, ist sehr umfangreich. So sollte man sich vor Augen führen, dass selbst wenn der Prozessorhersteller mit seinen Halbleitern ein umfassendes Set von Server-Grade-Remote-Control-Funktionen bereitstellt, dennoch auch immer ein dedizierter Board-Management-Controller (BMC) auf dem Carrierboard erforderlich ist, um beispielsweise Out-of-Band-Remote-Management zu unterstützen. Für die meisten OEMs ist es jedoch nicht vertretbar, viel Energie aufzuwenden, um zusätzlich die erforderliche IP von weiteren Halbleiterkomponenten-Herstellern zu sammeln und Out-of-Band-Management-Funktionen wie IPMI, MCTP oder das von der jeweiligen Anwendung geforderte Protokoll zu integrieren – die Implementierung von Remote-Management ist nämlich nicht die einzige Aufgabe, der sich OEMs stellen müssen. Sie müssen bei Full-Custom-Designs auch das gesamte, perfekt zugeschnittene Board-Support-Package zusammenstellen, einschließlich der Funktion, eine standardisierte API auf einem Board-Controller zu verwalten, damit Anwendungen von einer Hardwareplattform auf die nächste Generation skaliert werden können. Deshalb ist jeder Highend-Rugged-Server und jedes 10-GbE-Netzwerk-Equipment, das ein dediziertes Feature-Set zur Optimierung der Größe, des Gewichts, der Leistungsaufnahme und der Kosten (auch SWAP-C genannt) benötigt, am besten mit anwendungsbereiten Superkomponenten namens Server-on-Modules bedient, da sie mit all diesen off-the-shelf verfügbaren Features eine perfekte Basis für kundenspezifische OEM-Designs auf Industrieniveau liefern.

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Sämtliche auf Intels Atom-C3000-, Xeon-D- und Pentium-Prozessoren basierenden Congatec Server-on-Modules sind für den Betrieb mit dem COM Express Type 7 Carrierboard von Connect Tech qualifiziert. Congatec

Server-on-Modules alleine reichen jedoch nicht aus, da die meisten Equipment-Anbieter für 10-GbE-Infrastrukturen nichts mit dem für die Anpassung der Hardware erforderlichen Carrierboard-Design zu tun haben wollen. Sie müssen viele noch anspruchsvollere Entwickleraufgaben bewältigen, um die ständig steigenden Herausforderungen in diesem Highend-Bereich des Rugged Computing zu bewältigen. Aus diesem Grund wollen sie so wenig Zeit wie möglich auf die Hardware verwenden und sich stattdessen auf die Kundenlösung konzentrieren. In den meisten Fällen sind sie deshalb auf der Suche nach einem Plattformanbieter, der in der Lage ist, das dedizierte Carrierboard und Systemdesign mit möglichst geringem zusätzlichen Entwicklungsaufwand zu liefern. Der Grund für diesen Ansatz ist nicht nur die Einsparung von NRE-Kosten, sondern auch die hohen Anforderungen an die Sicherheit des Designs. Denn je mehr applikationsfertige Bausteine ein Hersteller standardmäßig bereitstellen kann, desto mehr Funktionen sind bereits erprobt und im Feldeinsatz getestet.

Die Kühlungslösungen für COM Express Type 7 Server-on-Modules vereinfachen den Austausch von Modulen im gleichen TDP-Bereich, da sie alle denselben äußeren Footprint haben, auch wenn die Boards eine andere Silhouette haben. Congatec

Unternehmen, die Embedded-Design- und Fertigungsdienstleistungen für Server-on-Modules anbieten, sind daher am überzeugendsten, wenn fast alle benötigten Bausteine bereits im Feldeinsatz erprobt sind. Ein zentraler Bezugspunkt in der frühen Phase der Designüberlegungen ist dabei die Verfügbarkeit eines Evaluation Carrierboards für COM Express Type 7 oder sogar standardmäßig verfügbare Carrierboards, die für den Feldeinsatz bereit sind. Ein Beispiel für direkt einsatzbereite Carrierboards ist das COM Express Type 7 Carrierboard von Connect Tech, das den erweiterten Temperaturbereich (-40 bis 85 °C) unterstützt und zweimal 10G Ethernet für SFP+ Stecker, zwei GbE Ports, einen M.2-NVMe-Speicher, viermal USB 3.0, Full- und Half-Size-Mini-PCIe-Erweiterungssteckplätze, acht 3,3 V Buffered GPIO und eine Konsolenverbindung über Micro USB beinhaltet. Ein solches Design ist anwendungsbereit und kann standardmäßig bestellt werden, zum Beispiel mit den auf dem neuen Intel-Xeon-D-Prozessor basierenden Server-on-Modules für den Highend-Bereich oder mit Atom-C3000-Prozessor-basierenden Modulen.

Der Connect-Tech-Pool an anwendungsbereiten Bausteinen für kundenspezifische Carrierboards ist umfassend und beschleunigt dedizierte Carrierboard-Designs auf zirka sechs bis zwölf Wochen bei niedrigen NRE-Kosten. Connect Tech

Eine solche Plattform ist äußerst innovativ für den Embedded-Server-Bereich, denn sie setzt neue Maßstäbe für das Design sehr kleiner Server in besonders robuster Auslegung. Mit einem Footprint von nur 125 mm × 95 mm hat die Plattform genau den gleichen Footprint wie die Server-on-Modules. Das macht es möglich, einen vollwertigen Rugged-Server inklusive Kühllösung zu bauen, der kleiner als zwei gestapelte 3,5-Zoll-Festplatten ist. Ein solches High-Density-Package könnte buchstäblich überallhin passen. Um zu verstehen, wie beeindruckend das ist, muss man sich vor Augen führen, dass der Xeon-D-Prozessor bis zu 16 Cores für 32 Threads bietet und bis zu 48 Gigabyte schnellen 2400-DDR4-Speicher unterstützt. Und auf diesem Prozessor basierende Server-on-Modules unterstützen zweimal 10 GbE und bis zu 24 PCI Express Gen 3.0 Lanes und acht PCIe Gen 2.0 Lanes. All diese Funktionen können nun in einen solch kleinen Würfel gepackt werden.

Kunden vertrauen auf bewährte Funktionen

Wenn ein Unternehmen ein solches Standardangebot mit einer umfassenden Liste von bereits kundenspezifisch umgesetzten weiteren Carrierboard-Design-Features ergänzen kann, die OEMs bereits erfolgreich im Einsatz haben, können Kunden solche spezifischen Funktionalitäten ohne Bedenken individuell auswählen und in ihre Pflichtenhefte implementieren lassen. Erste Muster neuer COM-Express-Type-7-Carrier-Board-Designs können dann je nach Hersteller schon innerhalb von sechs bis zwölf Wochen an den OEM geliefert werden, sofern der Dienstleister über eigene Fertigungskapazitäten verfügt. Für höhere Entwicklungssicherheit sollte der ODM jedoch die in den PICMG Design Guides spezifizierten COM Express Carrierboard Design Rules einhalten. Dadurch wird sichergestellt, dass solche Boards mit jedem COM-Express-Type-7-Server-on-Module eingesetzt werden können.

Block-Diagramm der Carrierboard-Logik für COM Express Type 7. Das Board kann bei jedem Rugged-Server-Design eingesetzt werden, das auf COM-Express-Type-7-Modulen von Congatec basiert. Congatec

Der ODM Connect Tech konzentriert sich darauf, ausschließlich standardisierte und kundenspezifische Carrierboards für die unterschiedlichen Modulestandards einschließlich der neuen COM-Express-Type-7-Spezifikation anzubieten. Bis heute hat das Unternehmen bereits Hunderte von Carrierboards gebaut. Die Expertise liegt dabei nicht nur im kundenspezifischen Design aller vom Modul bereitgestellten Standard-Interfaces, sondern auch im Support von vielfältigen weiteren On-Board-Interfaces und Implementierungen – einschließlich FPGA-Designs für die digitale Signalverarbeitung. Außerdem verfügt das Unternehmen über umfassende Kenntnisse bei der parallelen Datenverarbeitung auf Basis von Cuda und Open CL mit General Purpose Graphics Processing Units (GPGPU) für moderne Parallel-Computing-Applikationen und maschinelles Lernen. Umfassendes Know-how in den Building Blocks für das Out-of-Band-Management und im Highspeed-Signal-Lane-Routing runden das Leistungsspektrum für COM-Express-Tpye-7-Carrier-Board-Designs ab. Connect Tech setzt auf

Das Connect-Tech-Gehäusedesign inspiriert, über COM-Express-Type-7-Systemdesigns nachzudenken, die in rauen Fahrzeugumgebungen zum Einsatz kommen. Connect Tech

seinen Carrierboard-Designs Server-on-Modules von Congatec ein.

(ah)