Avnet Integrated: Erstes COM-HPC-Client-Modul made in Germany

COM-HPC, der neue Standard für High-Performance-Computing-Module wurde speziell für zukünftige Anwendungen definiert, die die heutigen Grenzen in punkto Rechen-, Grafik- und Videoleistung durchbrechen. COM-HPC-Module sind für hohe Übertragungsraten ausgelegt und ermöglichen dank einer Vielzahl an Hochgeschwindigkeitsschnittstellen eine schnelle Netzwerkanbindung. Typische Einsatzgebiete sind Systeme mit künstlicher Intelligenz (KI), Maschinen-Learning-Lösungen, Industriesteuerungen, Edge/Fog Computing und Embedded-Hochleistungsplattformen.

Oben hin offene Skalierung

Bild 1: Der COM-HPC-Standard definiert die beiden Modulvarianten COM-HPC-Server und COM-HPC-Client, die unterschiedliche Merkmale aufweisen und auf unterschiedliche Anwendungen optimiert sind. PICMG

Ins Leben gerufen wurde der neue COM-HPC-Standard durch das PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) -Konsortium, das sich bereits für den existierenden COM-Express-Standard verantwortlich zeichnet. Bereits im Jahre 2018 wurde für die Entwicklung des neuen Standards eine eigene Arbeitsgruppe gegründet, der über zwanzig führende Hersteller von Embedded-Produkten sowie Halbleiter- und Komponentenlieferanten angehören. Das Ziel besteht darin, eine neue Spezifikation zu schaffen, um die in zukünftigen Märkten wie IoT, KI oder 5G zunehmenden Anforderungen in Bezug auf Performance und Bandbreite sowie zukünftige IO-Standards zu erfüllen. COM-HPC soll jedoch nicht den seit Jahren erfolgreich etablierten COM-Express-Standard ablösen. Vielmehr ermöglicht COM-HPC eine nach oben hin offene Skalierung und stellt damit eine perfekte Erweiterung zum COM-Express-Standard dar, der seine universelle Einsatzfähigkeit in unzähligen realisierten Projekten unter Beweis stellt. Es kann daher erwartet werden, dass beide Standards für lange Zeit nebeneinander koexistieren werden.

Die COM-HPC-Spezifikation sieht für die Verbindung vom Modul zum Carrier-Board 800 Pins vor, während COM Express maximal 440 Pins zur Verfügung stellt. Möglich wird dies durch einen speziell neu entwickelten Steckverbinder. Bei COM-HPC verdoppelt sich im Vergleich zu COM Express Type 7 die maximale Anzahl der PCIe Lanes von 32 auf 65 PCIe der vierten und fünften Generation. PCIe Gen 4 unterstützt eine Datenrate von bis zu 16 GBit/s pro Lane, PCIe Gen 5 unterstützt bis zu 32 GBit/s pro Lane und ist damit viermal so schnell wie PCIe Gen 3.0 mit 8 GBit/s je Lane bei COM Express. Besonders für leistungsfähige Netzwerkanwendungen sind schnelle Ethernet-Verbindungen mit Übertragungsraten von bis zu 100 GBit/s (4 × 25 GBit/s) je Port spezifiziert, was ebenfalls im Vergleich zu COM Express Type 7 mit 10 GBit Ethernet eine deutliche Leistungssteigerung bringt.

Bis etwa 300 W je Modul

Bild 2: COM-HPC-Module sind in insgesamt fünf Formfaktoren erhältlich. PICMG

Ebenfalls von Bedeutung für hochleistungsfähige Computing-Anwendungen ist die Möglichkeit, COM-HPC-Module mit Hochleistungsprozessoren und großen Speicher-Arrays basierend auf Server-DIMMs auszustatten. Dazu unterstützt der Standard elektrische Leistungen von bis etwa 300 W je Modul sowie Modul-Formfaktoren, die ausreichend Platz für CPU, Leistungselektronik, Kühlung sowie große Speichermodule bieten. Damit wird es erstmals möglich, eine deutlich größere Performance auf Modulebene bereitzustellen, wie sie sonst nur auf Boards für Server und Workstations üblich ist. Eingebettete Computer profitieren ebenfalls davon, da nun auch hier Prozessoren zum Einsatz kommen können, die aufgrund ihrer Abmessungen und elektrischen Leistung bisher auf COM-Produkte nicht verwendet werden konnten.

Der COM-HPC-Standard definiert die beiden Modulvarianten COM-HPC-Server und COM-HPC-Client, die unterschiedliche Merkmale aufweisen und für verschiedene Anwendungen prädestiniert sind. COM-HPC-Server-Module sind für den Einsatz in AI/Machine Vision, Edge- und Kommunikations-Servern ausgelegt, die eine große Anzahl an PCIe Lanes und Ethernet Interfaces sowie große Speicher benötigen. Unterstützt werden bis zu acht KR-Ethernet-Schnittstellen, wobei die Bandbreite pro Port je nach Implementierung von 1 GBit/s (1000Base-KX) bis 25 GBit/s (25GBase-KR) skalieren kann. Zusätzlich ist ein Base-T Port zum Beispiel für Managementaufgaben definiert, der bis zu 10 GBit/s Bandbreite haben kann (10GBase-T). Damit wird der Interface-Typ auch sehr ehrgeizigen Kommunikationsaufgaben gerecht. Mit bis zu 65 PCIe Lanes können zum Beispiel HW-Beschleuniger für künstliche Intelligenz, Physiksimulation sowie Datenkonzentratoren angebunden werden, die auf hohen Datendurchsatz und niedrige Latenz angewiesen sind.

Integrierte Videoschnittstellen

Bild 3: Durch das bewährte Computer-on-Module-Konzept erlaubt der neue COM-HPC-Standard eine schnelle und kostengünstige Integration neuer Prozessorgenerationen in eine bestehende Applikation. Avnet Integrated

COM-HPC-Client-Module sind für High-End-Anwendungen im Embedded-Computing-Markt geeignet und verfügen über integrierte Videoschnittstellen wie DDI und eDP/MIPI-DSI. Über diese Interfaces lassen sich bis zu vier unabhängige, hochauflösende Displays ansteuern. Zu Gunsten der Display-Schnittstellen ist die Anzahl der PCIe und Ethernet Ports gegenüber dem COM-HPC-Server verringert. Es stehen ein oder zwei KR-Ethernet- (maximal 25 GBit/s) sowie bis zu zwei Base-T (maximal 10 GBit/s) -Ethernet-Schnittstellen bereit. Bis zu 49 PCIe Lanes lassen reichlich Raum für den Anschluss externer IO-Bausteine und Flash-basierenden Massenspeichern. Die beiden Server- und Client-Varianten weisen wegen der unterschiedlichen Schwerpunkte der Schnittstellen eine teilweise abweichende Schnittstellenbelegung (Bild 1) sowie einen unterschiedlichen Steckerabstand auf und benötigen daher jeweils auf die Anwendung abgestimmte Carrier-Boards.

Für die COM-HPC-Module wurden von der PICMG insgesamt fünf Formfaktoren definiert. Die Server-Module sind mit den Footprints 200 mm × 160 mm, zum Beispiel für acht DIMM-Sockel, und 160 mm × 160 mm erhältlich. Für die kompakteren Client-Module sind die drei Größen 160 mm × 120 mm, 120 mm × 120 mm und 95 mm × 120 mm festgelegt (Bild 2).

Die anvisierte CPU-Leistungsklasse ließ sich bisher nur mit entsprechenden Motherboards oder kundenspezifischen Basisboards realisieren, was bei einem Wechsel zur nächsten Prozessorgeneration oder Wechsel zwischen verschiedenen Prozessorfamilien zwangsläufig ein neues oder unterschiedliches Board-Design erforderte.

Bild 4: Das Client-Modul MSC HCC-CFLS ist das erste Mitglied der neuen COM-HPC Produktfamilie von Avnet Integrated. Avnet Integrated

Mit dem neuen COM-HPC-Standard setzt sich der Erfolg des Konzepts von standardisierten Embedded-Modulen und den passenden Entwicklungs-Tools weiter fort. Die Module stellen sicher, dass neue Prozessortechnologien für innovative Kundenanwendungen schnell zur Verfügung stehen. Durch einfaches Austauschen des Moduls ist ein direkter Migrationsweg hin zu neuen CPU-Technologien gegeben. Das Carrier-Board lässt sich in der Regel auch bei einem Projekt-Update weiter einsetzen, was zu einer optimierter Time-to-Market des Endprodukts führt sowie Projektkosten deutlich reduzieren kann. Darüber hinaus lässt sich ein Produktdesign durch Auswahl geeigneter Prozessorderivate in einem erheblich größeren Bereich skalieren, ohne dass unterschiedliche Basis-Boards benötigt werden. Design und Qualifizierung des applikationsspezifischen Carriers müssen nur einmal erfolgen und können über viele Jahre hinweg gleichbleiben (Bild 3).

Avnet Integrated stellt mit dem leistungsfähigen Client-Modul MSC HCC-CFLS das erste Mitglied ihrer neuen COM-HPC-Produktfamilie vor, die auf dem neuen COM-HPC-Standard basiert (Bild 4). Das Client Interface bietet eine große Auswahl an Grafikschnittstellen, 1G- und 10G-Ethernet-Anschlüsse, PCI Express Interfaces sowie USB Ports. Um sofort mit der ersten Evaluierung des High-Performance-Computing-Moduls im neuen Standard  zu beginnen, wird zeitgleich das passende COM-HPC-Client-Carrier-Board MSC HC-MB-EV geliefert. Das Board kann auch zum Rapid Prototyping und zur schnellen Applikationsentwicklung eingesetzt werden.

Früher Zugang zum PICMG-Standard

Mit der Verfügbarkeit ihres neuen COM-HPC-Client-Moduls und eines passenden Carrier-Boards ermöglicht Avnet Integrated einen frühen Zugang zum neuen PICMG-Standard. Das COM-HPC Client-Modul MSC HCC-CFLS von Avnet Integrated basiert auf der gesockelten Intel-Core-S-Prozessorfamilie der 9. Generation (Coffee Lake Refresh S-Serie), die eine besonders hohe Skalierbarkeit von kostengünstigen Einsteigervarianten bis hin zu High-end-Prozessoren bietet. Das Angebot umfasst Module mit kosteneffizientem Intel-Celeron-Prozessor mit 35 W TDP (Thermal Design Power) bis hin zu hochperformanten  Intel-Xeon- und Intel-Core-i7-Prozessoren mit bis zu acht Cores und 16 Threads bei 80 W TDP. Für datenintensive Anwendungen lässt sich das Modul mit bis zu 64 GB DDR4-2666 SDRAM mit optionalem ECC (Error Checking and Correction) bestücken.

Breite Auswahl an Grafikschnittstellen

Im Gegensatz zu den Server-Formfaktoren bieten die Client-Varianten auch eine breite Auswahl an Grafikschnittstellen. Die Grafik des MSC-HCC-CFLS-Moduls unterstützt leistungsfähige Grafikbeschleunigung und Hardware-basiertes Video-En-/Decoding. Über drei DDI-Schnittstellen und ein eDP-Display-Port lassen sich bis zu drei unabhängige Display-Einheiten mit einer maximalen Auflösung von 4k × 2k anschließen. Der PCI Express Graphics (PEG) ×16 Port basierend auf PCIe Gen3 ermöglicht die Integration externer Grafik, KI-Beschleuniger und Flash-basierenden Solid State Disks (SSD). Zusätzlich sind auf dem COM-HPC-Board weitere Schnittstellen unter anderem 16 PCI Express ×1 Lanes, USB 3 Gen1 und 2, Sata 3.0, 1G und 10G Ethernet sowie GPIOs vorhanden.

Das Modul MSC HCC-CFLS entspricht dem COM-HPC-Size-C-Formfaktor und weist Abmessungen von 160 mm × 120 mm  auf. Die Höhe der Baugruppe hängt von den je nach Anforderung eingesetzten Kühllösungen ab.

Das Client-Modul MSC HCC-CFLS eignet sich für vielfältige Einsatzbereiche wie anspruchsvolle HMI-Systeme, komplexe Industriesteuerungen, Überwachungssysteme mit zahlreichen Sensoren, intelligente KI-Lösungen, IIoT-Systeme, Medizingeräte und Gaming-Systeme.

Wie alle innovativen Embedded-Module entwickelt und fertigt Avnet Integrated auch die COM-HPC-Produktfamilie in Deutschland. Die Voraussetzung dafür bieten die Design-Center mit umfangreichem Know-how zur Entwicklung von Embedded-Lösungen und eigene, voll automatisierte Fertigungsstätten. Damit sind eine sehr hohe Qualität und eine lange Verfügbarkeit der Produkte von mindestens 15 Jahren gewährleistet.

Für zahlreiche Kunden spielt ein großes Produktportfolio des Herstellers von Embedded-Modulen eine große Rolle, um unterschiedliche Anforderungen über eine einzige Plattform zu realisieren. Nur so ist sichergestellt, dass bei gestiegenen Anforderungen auf ein anderes Modul mit höherer Rechen- und Grafikleistung gewechselt werden kann, ohne das Carrier-Board-Design zu verändern. Avnet Integrated wird deshalb ihr COM-HPC-Produktportfolio zügig in Richtung weitere Client- und Server-Module ausbauen.

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