In questa intervista Christian Eder, Chair del gruppo di lavoro COM-HPC e Direttore per le attività di Market Intelligence di congatec, analizza le principali innovazioni di questo standard per moduli COM ad alte prestazioni.
EO: La specifica COM-HPC è stata rilasciata da PICMG circa due anni e mezzo fa. Come si è sviluppata la domanda in questo periodo di tempo?
C.E.: COM-HPC è stato espressamente progettato per moduli COM (Computer-on-Module) ad alte prestazioni che possono essere di tipo server oppure client. La richiesta di questi moduli è in continuo aumento, trainata da diversi fattori: l’aumento dei requisiti legati alla digitalizzazione e alle applicazioni IIoT, l’uso sempre più massiccio dell’intelligenza artificiale, la diffusione di applicazioni basate sulla visione che richiedono la comprensione del contesto operativo (situational awareness), la necessità di elaborare una mole sempre maggiore di dati. I progettisti impegnati nello sviluppo di nuovi design non nutrono dubbi sul fatto che i moduli COM-HPC rappresentino la soluzione migliore. Circa la metà dei nuovi progetti, che interessano l’intero range di prestazioni coperto dagli standard PICMG, COM Express e COM-HPC compresi, prevede l’uso di COM-HPC, mentre le prime soluzioni OEM basate sui processori Intel Core di 12a e 13a generazione e Intel Xeon D sono già prodotte in serie. Ciò ha contribuito a semplificare l’introduzione di COM-HPC, uno standard che ha riscosso risultati lusinghieri fin dalle fasi iniziali. Si tratta di uno scenario completamente diverso da quello che ha caratterizzato il lancio della specifica COM Express. In quel caso, l’opera di convincimento presso i clienti è stata sicuramente più impegnativa. Ovviamente, il coinvolgimento di organismi indipendenti come PICMG nella definizione delle specifiche dei nuovi fattori di forma ha rappresentato un enorme vantaggio.
Fig. 1 – COM-HPC Mini rappresenta la più importante aggiunta alla Rev. 1.2, in quanto rende disponibili le prestazioni tipiche dei client embedded di fascia alta in dispositivi stazionari e mobili che devono soddisfare requisiti severi in termini di spazio
EO: Cosa possono aspettarsi gli utenti da questa nuova revisione?
C.E.: Sono stati apportati alcuni miglioramenti di lieve entità alla specifica finalizzati a estendere ulteriormente lo spettro applicativo dello standard e a conferire una maggiore robustezza ai progetti. In ogni caso, l’innovazione più importante è senza dubbio l’aggiunta di COM-HPC Mini, uno standard caratterizzato da un ingombro ridottissimo. Grazie a esso, è possibile ottenere elevate prestazioni con un modulo SFF (Small Form Factor) di dimensioni pari a soli 95 x 70 mm. Anche i dispositivi con severi vincoli di spazio possono sfruttare le potenzialità offerta dalla maggiore ampiezza di banda e dalla disponibilità di un’interfaccia a 400 pin. Grazie a essa, COM-HPC Mini è in grado di supportare le interfacce più recenti, tra cui Thunderbolt e PCIe Gen 5, oltre alla futura interfaccia PCIe Gen 6, non appena saranno disponibili i relativi processori.
Con questa aggiunta, COM-HPC si propone dunque come lo standard per moduli COM caratterizzato dal maggior grado di scalabilità, in grado di soddisfare le esigenze di un’ampia gamma di applicazioni, da quelle che utilizzano schede di piccolo formato a quelle che prevedono il ricorso a server edge. Oltre a semplificare il processo di integrazione (design-in), la scalabilità agevola lo sviluppo di intere famiglie di prodotto. Poiché i moduli COM-HPC supportano non solo processori specifici, come quelli in architettura x86 o ARM, ma anche FPGA, ASIC e acceleratori per l’intelligenza artificiale, si propongono come una soluzione completa per lo sviluppo di innovative applicazioni basate sulle più recenti tecnologie di elaborazione embedded ed edge.
EO: Perché la specifica Mini è così importante?
C.E.: Da un lato, la parola embedded è sempre sinonimo di spazio limitato, ma anche i dispositivi di dimensioni più ridotte richiedono un’ampiezza di banda particolarmente estesa per supportare le applicazioni che prevedono l’utilizzo dell’intelligenza artificiale e la comprensione del contesto operativo. Dall’altro, gli ingombri di soli 95 x 70 mm di questa specifica semplificano enormemente il passaggio da COM-Express a COM-HPC. In termini di ingombri, i moduli COM-HPC Mini possono essere utilizzati in qualsiasi progetto basato su COM Express Basic (95 x 120 mm) o Compact (95 x 95 mm). Grazie all’estrema facilità di migrazione, le nostre aspettative sul lungo termine nei confronti di questo nuovo fattore di forma sono decisamente elevate.
EO: Rispetto a COM Express Type 6, COM-HPC Mini ha un numero di pin inferiore del 10%. Ciò può rappresentare una limitazione?
C.E.: Assolutamente no. COM-HPC Mini si rivolge ai dispositivi mobili e di piccole dimensioni, non ai complessi sistemi stazionari dotati di innumerevoli interfacce. Gli sviluppatori che hanno sfruttato le potenzialità di COM Express con pinout Type 6 sono principalmente utilizzatori di COM Express Basic. Essi stanno migrando verso lo standard COM-HPC (Size A). Si tratta di una scelta logica, che permette di rendere disponibile un numero significativamente più elevato di interfacce. Di dimensioni leggermente inferiori (95 x 120mm) rispetto a quelle di COM Express Basic (95 x 125 mm), COM-HPC (Size A) offre una densità e varietà di interfacce decisamente maggiori. Il solo fatto di poter disporre di 800 pin (al posto di 440) assicura il supporto di un numero di interfacce più elevato e di ampiezze di banda più estese. Oltre a ciò, le prestazioni delle interfacce veloci come PCI Express o Ethernet sono migliori quando implementate su COM-HPC. In teoria, con il passaggio da COM Express Type 7 (Rev.3.0) a COM-HPC Server, è possibile incrementare le prestazioni delle interfacce di un fattore pari circa a 15. L’incremento delle prestazioni di I/O è ancora maggiore (di un fattore pari a 17) nel passaggio da COM Express (Rev.3.0) a COM-HPC Client.
Fig. 2 – COM-HPC 1.2 specifica un nuovo connettore per tutti i formati COM-HPC. Il perno permette di incrementare la stabilità della connessione tra scheda e connettore
EO: Oltre al fattore di forma e al connettore a 400 pin, esistono altre differenze tra COM-HPC Mini e gli altri formati COM-HPC?
C.E.: Certamente. Una è quella relativa all’assegnazione dei pin. In alcuni casi sono previste molteplici opzioni per consentire l’implementazione del maggior numero possibile di configurazioni con i 400 pin disponibili per assicurare la massima flessibilità su un fattore di forma estremamente piccolo. Anche l’assegnazione delle tensioni dei segnali in banda base è stata adattata sia per ridurre i requisiti in termini di energia sia, soprattutto, per supportare i processori a basso consumo che in misura sempre maggiore operano con tensioni di 1,8 V. Ciò semplifica il progetto dei moduli e delle schede carrier, in quanto è necessario un minor numero di traslatori di livello rispetto a quello richiesto per mantenere le medesime specifiche nei fattori di forma COM-HPC di dimensioni maggiori. Di conseguenza, non è possibile installare moduli COM-HPC Mini su una scheda carrier progettata per COM -HPC (Size A) in quanto i due fattori di forma sono incompatibili sia dal punto di vista elettrico sia per quel che concerne l’assegnazione delle interfacce. Il dissipatore di calore è più piatto per consentire lo sviluppo di progetti di altezza inferiore. Inoltre, il supporto MIPI-CSI non è implementato mediante il connettore a 400 pin, ma tramite due connettori aggiuntivi a lamina piatta a 22 pin. La specifica COM-HPC Mini dispone quindi di 444 pin in totale. Questo approccio progettuale che prevede connettori aggiuntivi è già stato adottato con SMARC e COM Express, dove ha dimostrato la sua validità.
Rispetto ad altri fattori di forma miniaturizzati, c’è anche un altro aspetto di COM-HPC Mini che ne testimonia l’assoluta superiorità: oltre al maggior numero di pin, questo standard è caratterizzato da un power budget di 107 W, decisamente superiore ai 15 W tipici dello standard SMARC.
EO: Potrebbe spiegare in maniera più dettagliata il multiplexing? Non si potrebbe correre il rischio di dar vita a configurazioni arbitrarie, con conseguenti problemi di incompatibilità?
C.E.: Rispetto a COM-HPC Client che dispone di un numero maggiore di pin, COM-HPC Mini prevede 8 canali dati ad alta velocità per supportare le interfacce USB 3.x/USB4 e DDI (Digital Display Interface). In ogni caso, non tutti i canali dati possono essere utilizzati per qualsiasi scopo. Per tale motivo, sono state previste cinque opzioni flessibili per gestire l’assegnazione delle 8 corsie (lane) ad alta velocità (SuperSpeed) tra le porte DDI e USB. Oltre alla configurazione che prevede 2 porte DDI e 4 porte USB3 su un lato e 4 porte USB4 sull’altro, sono anche possibili le seguenti varianti: 1 DDI, 1 USB4 e 4 USB3; 1 DDI, 2 USB4 e 2 USB3; 3 USB4 e 2 USB2. Si tratta delle uniche configurazioni consentite, per garantire la sicurezza in fase di pianificazione. Lo stesso principio viene applicato per l’assegnazione delle interfacce PCIe, Ethernet e SATA. Gli sviluppatori che utilizzano le architetture Arm hanno familiarità con il concetto di SERDES introdotto con COM-HPC e che ha dimostrato la sua validità. In ogni caso, per comprendere le potenzialità di ogni singolo modulo, è necessario considerare il numero significativamente maggiore di combinazioni. L’interfaccia SATA può essere considerata quasi alla stregua di una concessione per supportare gli attuali progetti “legacy”. Tuttavia, questa opzione non viene quasi più utilizzata in quanto le numerose interfacce PCIe consentono anche di utilizzare le memorie flash veloci che supportano il protocollo NVME.
EO: Passiamo ora a esaminare l’offerta relativa a COM-HPC Server. Quali sono gli aspetti più interessanti che sono emersi?
C.E.: Da quando sono stati introdotti i processori Intel Xeon D, nome in codice Ice Lake D, è stato interessante osservare che gli OEM non sembrano aver bisogno dell’intera larghezza di banda di memoria offerta da questi processori. Di conseguenza possono optare per il formato D (Size D), che prevede solo 4 slot (invece di 8) per la memoria RAM. Il motivo è da ricercarsi nel fatto che i server edge per applicazioni “mixed critical” non devono gestire carichi di lavoro che prevedono un uso massiccio della memoria RAM. Piuttosto, devono ospitare più applicazioni in tempo reale che vengono eseguite in parallelo e quindi necessitano del maggior numero possibile di core. Essi sono inoltre tenuti a soddisfare i requisiti della tipici della comunicazione in ambito industriale, che prevede l’elaborazione in tempo reale di un gran numero di pacchetti di messaggi di piccole dimensioni. Anche in questo caso le risorse di memoria non rappresentano un fattore critico, a differenza dei server Web che devono recuperare informazioni da un database e vengono utilizzati contemporaneamente da migliaia di utenti.
EO: Passiamo ora alle nuove caratteristiche valide per tutti i fattori di forma della specifica. Quali sono i cambiamenti più significativi?
C.E.: Vi sono due aspetti da sottolineare. In primo luogo, il connettore è stato ottimizzato per aumentare ulteriormente la robustezza. In secondo luogo, COM-HPC è ora completamente qualificato per PCIe Gen 6.
Fig. 3 – Con l’aggiunta del nuovo fattore di forma Mini, COM-HPC si propone come lo standard per moduli COM caratterizzato dal maggior livello di scalabilità.
EO: Il nuovo connettore influisce anche sulla scheda carrier?
C.E.: Sì, sono necessari due piccoli fori per aumentare la robustezza, mentre i rinforzi metallici sui lati del connettore sono saldati in modo da garantire una maggiore stabilità meccanica. A parte questo, nulla è cambiato. Il nuovo connettore rinforzato può essere utilizzato solo se è presente anche il secondo foro. Tuttavia, sia il vecchio che il nuovo connettore possono essere implementati utilizzando il medesimo processo di saldatura per componenti a montaggio superficiale (SMD). A questo proposito, è utile sottolineare che per garantire la conformità alla Rev. 1.2 è necessaria solo una piccola modifica al progetto della scheda carrier. Anche se prevedo che il connettore precedente continuerà a essere disponibile, appare ragionevole non prenderlo in considerazione per i nuovi progetti di schede carrier. La transizione, in ogni caso, non presenta problemi: i vecchi e i nuovi connettori possono essere utilizzati in tutte le combinazioni. In particolare, il nuovo connettore sarà disponibile presso almeno tre produttori. Oltre a Samtec, anche Amphenol e All Best producono questa nuova versione su licenza, consentendo l’adozione di strategie di approvigionamento che prevedono il ricorso a una seconda sorgente.
Fig. 4 – COM-HPC Mini prevede diverse assegnazioni per pin multiplate come SERDES per PCIe, GbE e SATA. 8 corsie SuperSpeed possono anche avere differenti interfacce DVI e USB
EO: Quali cambiamenti si devono apportare per i progetti PCIe Gen 6? Esistono già processori che supportano questa larghezza di banda e quali sono le applicazioni che richiedono prestazioni di questo tipo?
C.E.: In linea generale, è già possibile progettare schede carrier predisposte per le interfacce Gen 6 , anche se non esistono ancora processori in grado di supportarle. Tuttavia, questi saranno disponibili in un futuro non troppo lontano. Per procedere alla loro integrazione, la scheda carrier deve essere in grado di gestire la modulazione PAM4 anziché PAM2. Oltre ai valori 0 e 1, PAM4 utilizza due stadi intermedi che utilizzano 2 bit invece di 1 per la trasmissione. Poiché questo aggiornamento non modifica le frequenze trasmesse, non si prevede l’insorgere di nuove problematiche per quanto riguarda l’integrità del segnale. Tuttavia, una progettazione accurata è ancora importante, poiché Gen 6 richiede un’attenzione ancora maggiore ai disturbi del segnale rispetto a Gen 5. La maggiore larghezza di banda (8 GB/s) per corsia è richiesta, ad esempio, nelle applicazioni grafiche. Ciò consente di raggiungere velocità di trasferimento dati fino a 128 GB/s (attraverso 16 corsie), rendendo possibile la trasmissione di fotogrammi con risoluzione sempre più elevata, a frequenze più alte e con una maggiore profondità di colore. 100 GbE è già uno standard in molti settori e questa larghezza di banda deve essere supportata dal processore. Anche per USB sono previsti sensibili incrementi di velocità.
Fig. 5 – Nell’implementazione di moduli COM-HPC Server, gli OEM che operano nel settore embedded tendono a privilegiare l’uso del formato D (Size D) con 4 slot per la memoria RAM. Ciò è dovuto al fatto che di solito è necessario elaborare numerosi pacchetti di dati di piccole dimensioni in tempo reale alla periferia della rete. In ogni caso, sono disponibili soluzioni con 8 zoccoli da utilizzare nelle applicazioni che richiedono una maggiore capacità di memoria
EO: Con incrementi di questo tipo a livello di prestazioni, è possibile realizzare progetti embedded robusti?
C.E.: Fortunatamente, grazie ai progressi nei processi di produzione in geometrie da 7 nm (e anche inferiori) e nella tecnologia 3D, sarà possibile raddoppiare le prestazioni a parità di TDP. Presto saranno disponibili nuovi processori con queste caratteristiche. In questo modo, sarà possibile incrementare ulteriormente le prestazioni rimanendo entro i limiti imposti dal raffreddamento di tipo passivo. Si tratta del l’unica via percorribile per sviluppare sistemi embedded che soddisfino requisiti di sostenibilità sempre più severi, neutralità climatica compresa.