Il terzo ciclo per i moduli COM sulla rampa di lancio

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Alcune considerazioni sul nuovo standard COM-HPC per i moduli COM che, fin dalla loro introduzione, si sono affermati come la soluzione di riferimento per lo sviluppo di sistemi di elaborazione embedded.

Dopo ETX/XTX e COM Express, l’industria dei moduli COM (Computer-on-Module) sta per introdurre un nuovo standard che permetterà lo sviluppo di soluzioni caratterizzate dal livello di prestazioni richiesto dalle attuali applicazioni (Fig. 1). Denominato COM-HPC, questo standard definisce un nuovo fattore di forma attualmente in fase di ratifica da parte di un gruppo di lavoro di PCMIG che comprende numerose aziende tra cui anche congatec. Lo scambio di dati in tempo reale ad altissima velocità sarà il principale settore di applicazione, stimolato dall’introduzione e dalla progressiva diffusione delle reti 5G. In ogni caso, tutti coloro che utilizzano i precedenti standard per moduli COM non devono assolutamente preoccuparsi circa la disponibilità delle loro soluzioni: ogni transizione richiede tempo e i prodotti basati sugli standard esistenti saranno disponibili sul mercato per molti anni ancora.

Fig 1 – ETX e COM Express, che rappresenta un’evoluzione del primo, sono due specifiche per moduli COM (Computer On Module) standardizzati da organismi indipendenti in linea con i progressi tecnologici. Con l’introduzione di COM-HPC si è aggiunto un terzo standard il cui obiettivo è soddisfare i requisiti, in termini di prestazioni, di sistemi, apparati e dispositivi che utilizzano connessioni 5G e a larga banda

Fin dalla loro introduzione, i moduli COM (Computer-on-Module) si sono affermati come la soluzione di riferimento per lo sviluppo di sistemi di elaborazione embedded.Recenti studi di mercato, come quello condotto da IHS Markit, prevedono che i moduli COM rappresenteranno circa il 38% delle vendite di sistemi, moduli e schede di elaborazione embedded entro il 2020.I primi moduli hanno fatto la loro comparsa all’inizio degli anni ’90, quando Hans Mühlbauer – proprietario della società tedesca JUMPtec e tutt’oggi ancora coinvolto nelle attività di congatec – ha introdotto i primi moduli ModulAT basati sull’allora diffuso bus AT/ISA96 (fig. 2). Essi erano equipaggiati con la CPU 80C88 operante a 9,54 MHz e disponevano di 640 kByte di memoria DRAM. Lo scopo era rendere la tecnologia utilizzata per lo sviluppo di PC destinati ad applicazioni office adatta anche per l’impiego in ambito industriale. Si trattava di una novità assoluta nel mondo dei computer embedded. A quei tempi, i PC per applicazioni industriali erano solitamente disponibili sotto forma di sistemi rack da 19”. Un computer adatto all’uso in ambito industriale realizzato su una scheda di dimensioni pari a soli 100 x 160 mm era un’idea difficilmente concepibile a quei tempi. Il modulo in questione prevedeva 120 pin posizionato sullo stesso lato della CPU e dei componenti, mentre per i processori non era richiesto un sistema per la gestione termica particolarmente complesso.

Fig. 2 – I primi moduli ModulAT di JUMPtec erano basati sull’allora diffuso bus AT/ISA96 ed equipaggiati con CPU 80C88 di Intel operante a 9,54 MHz e 640 kByte di memoria DRAM

L’obiettivo di questi primi moduli era evitare di integrate tutte le funzioni in un’unica scheda al fine di cercare di “contrastare” i cicli di innovazione che caratterizzavano le CPU: non bisogna dimenticare che a quei tempi Intel e AMD introducevano nuove CPU ogni sei mesi. Poichè non era possibile sapere per quanto tempo le CPU più datate sarebbero state disponibili, era necessario ricorrere ai moduli per poter assicurare la disponibilità sul lungo termine tipica della applicazioni industriali. La scalabilità che contraddistingueva questa proposta permetteva anche di realizzare versioni che differivano tra loro in termini di prestazioni. Un aspetto sicuramente importante era anche quello legato alla riduzione la complessità del progetto delle schede di I/O. Generalmente, gli I/O richiedono un numero inferiore di strati, con conseguente riduzione del costo della scheda PCB. A quei tempi, altri fattori da tenere in considerazione erano la riduzione del consumo di potenza e della quantità di calore che doveva essere dissipata relativamente a ciascun modulo. Gli utenti, inoltre volevano sempre poter disporre delle CPU di più recente introduzione: una richiesta, questa rimasta immutata fino ai nostri giorni. Grazie ai moduli, questa esigenza poteva essere soddisfatta senza problemi.

Risolvere il problema dei cavi con i moduli

Rispetto al bus AT/ISA96, i moduli ModulAT hanno fatto la loro comparsa sul mercato piuttosto tardi perchè l’elaborazione embedded destinata ad applicazioni industriali in ambienti gravosi stava muovendo I suoi primi passi. L’architettura x86 e il sistema operativo Windows, ad esempio, dovevano ancora trovare la definitiva consacrazione nel mondo industriale e la lotta contro lo “schermo blu” (indice di un errore di sistema critico ) era ancora in pieno svolgimento. Sotto questo aspetto i moduli potevano essere assimilati più a una sorta di primi prodotti “pirata” di un’industria nascente che non come i pionieri che avrebbero segnato l’inizio del ciclo di vita di una intera generazione di standard per moduli destinato ad affermarsi nel tempo. Tuttavia JUMPtec è stata l’azienda che ha reso disponibili pubblicamente le specifiche e ha rivestito un ruolo pioneristico nella commercializzazione dei moduli su scala globale. Concetto, quello del modulo, che ha riscosso un lusinghiero successo come dimostrano gli sviluppi odierni. Gli SBC in formato PC/104, che offrivano uno spazio troppo ridotto per i connettori se dovevano essere montati sullo stesso lato della CPU e del chipset hanno contribuito, verso la metà degli anni ’90, a rafforzare la validità del concetto di modulo. A fronte di una richiesta di una sempre maggiore connettività, i connettori venivano montati dagli utenti sull’altro lato del PCB per collegare un numero ancora superiore di periferiche. Il principio di progettazione su cui si basa PC/104 prevede l’utilizzo di cavi per instradare gli I/O verso l’alloggiamento. Ciò ha comportato la creazione di grovigli di cavi sempre più intricati, con conseguente aumento della possibilità di introdurre errori a livello di sistema. A quei tempi, una disposizione “pulita e ordinata” dei cablaggi era un requisito importante nella progettazione di sistemi. Per questo motivo, la riduzione degli ingombri e delle problematiche provocate dai cavi mediante un collegamento con gli I/O esterni eseguito sfruttando una scheda carrier “application specific” rappresentava uno dei punti di forza del concetto di modulo. Il lancio dei primi moduli in formato ETX sviluppato da JUMPtec ha segnato un vero e proprio punto di svolta per il mercato dei moduli COM.

Una strada in salita per il concetto di modulo

Il fattore di forma ETX per questi moduli basati su ISA/PCI con connettori da 400 pin per la scheda carrier non ha avuto vita facile, nonostante il fatto che JUMPtec avesse reso disponibili le specifiche. Parecchie società e moduli di concezione differenti e in competizione, ora ricordati solamente da qualche nostalgico addetto ai lavori, aveva cercato di attirare l’attenzione degli OEM con soluzioni simili.  La competizione tra i produttori di soluzioni di elaborazione embedded, le cui dimensioni a quei tempi non erano confrontabili con quelle odierne, era particolarmente accesa. Nel novembre del 2001 JUMPtec e Advantech si sono accordati per fondare ETX-IG (ETX Industrial Group) che ha introdotto il primo standard per moduli aperto e indipendente da qualsiasi produttore e ha mantenuto una versione valida ancora oggi (fig. 3).  “Advantech, I-Base, IBR e PCISystems, per esempio, avevano sviluppato schede ETX alternative che avevano raggiunto rapidamente la fase di maturità” – aveva spiegato Mühlbauer a quei tempi. “Per assicurare uno sviluppo uniforme su scala mondiale dello standard ETX  era quindi indispensabile la creazione di un consorzio ETX aperto”.  Nel giro di pochi mesi i più importanti produttori di sistemi ETX hanno aderito al consorzio, consapevoli dei vantaggi derivati dalla disponibilità di uno standard aperto. Successivamente, il gran numero di fattori di forma alternativi si è notevolmente ridotto, a causa sia della crescente importanza assunta da ETX-IG sia delle operazioni di fusione e acquisizione tra le società del settore. Alla fine ETX si è imposto come standard di riferimento per il successivo ciclo tecnologico dell’industria dei moduli, dove nel frattempo i toni della competizione si erano fatti meno esasperati.

Fig. 3 – La fondazione di ETX-IG durante la fiera SPS/IPC/Drives a Norimberga da parte di Advantech e JUMPtec

2005: COM Express diventa uno stadard ufficiale di PICMG

La diffusione su larga scala del nuova bus PCI Express e l’eliminazione del supporto per il bus ISA nei nuovi proecessori e i relativi chipset sono i fattori che ha portato, nel 2004, all’elaborazione di un nuovo concetto: COM Express. Anche se relativamente più semplice, il processo di introduzione ha comportato il superamento di non pochi ostacoli. All’interno del consorzio PICMG che doveva supportare il nuovo standard si sono dovute combattere alcune “guerre di trincea” ed affrontare tattiche dilatorie. Alla fine la community embedded è giunta a un accordo e nel luglio 2005 COM Express è entrato ufficialmente a far parte degli standard PICMG (Fig. 4). Per arrivare alla standardizzazione, dalla prima presentazione di questo concetto in collaborazione con Intel nell’autunno del 2003, erano dunque trascorsi 18 mesi. Dalla revisione 2.0 nel 2010 fino all’attuale rev 3.0 (2017), questa specifica è stata sviluppata su base continua sotto la costante supervisione di Christian Eder che, dopo aver lavorato inizialmente con Mühlbauer a JUMPtec, è passato in Kontron approdando infine in congatec.

Fig 4 – I primi moduli COM Express sono stati prodotti in serie nel 2005 ed erano equipaggiati con il processore Intel Pentium M, una vera e propria pietra miliare per il mercato dell’elaborazione embedded

Oggigiorno, a 15 anni dal lancio di COM Express da parte di PICMG,  quello dei moduli COM e il più importante tra i diversi segmenti che compongono il mercato dei sistemi di elaborazione embedded e tutti i maggiori produttori di questi sistemi propongono una vasta gamma di moduli in formato COM Express. Val qui la pena segnalare che vengono ancora proposti moduli nei formati ETX/XTX, il che significa che il primo ciclo dei moduli COM non è ancora terminato. Inoltre ci sono voluti diversi anni, esattamente fino al 2012, perché le schede in formato COM Express superassero quelle in formato ETX/XTX in termini quantitativi. “Team vincente non si cambia” è un motto molto diffuso non solo nel settore dell’elaborazione embedded.

I moduli COM Express non hanno rivali

Oggigiorno, I moduli in formato COM Express rappresentano lo standard di riferimento per lo sviluppo dei nuovi progetti di schede carrier embedded per applicazioni di fascia medio/alta. E finora non si vedono rivali all’orizzonte. Per inciso, questo standard è stato sottoposto a numerosi revisioni, mai in realtà troppo pubblicizzate, fino ad arrivare all’attuale versione, 3.0, che è stata pubblicata nel mese di maggio del 2017. Ciò sicuramente rappresenta un elemento a favore della validità di questo standard. Grazie alla specifica, relativamente nuova, del pinout Type 7, il formato COM Express può essere utilizzato per i server edge embedded (Fig. 5), mentre per applicazioni in condizioni di funzionamento estreme è anche sfruttato come base per le specifiche definite da VITA. Gli standard alternativi per moduli, come ad esempio Qseven e SMARC 2.0, che supportano entrambi processori applicativi basati su ARM, si sono affermati esclusivamente nel segmento dei progetti basati su schede SFF (Small Form Factor) a basso consumo. Per la messa a punto dello standard per moduli COM-HPC è stato fatto tesoro degli insegnamenti del passato: fin dal principio questo standard per l’elaborazione embedded ad alte prestazioni è stato sviluppato all’interno di PICMG al fine di evitare il più possibile conflitti tra i differenti produttori di moduli.  Per questa terza generazione di standard per moduli non è possibile immaginare un ecosistema più idoneo di quello messo a disposizione da un consorzio indipendente da qualsiasi fornitore.

Fig. 5 – Il server on module a più elevate prestazioni in formato COM Express con pinout Type 7 al momento disponibile è equipaggiato con i procesori della serie EPYC di AMD

La terza generazione dei moduli COM ad alte prestazioni è arrivata

Fin dal mese di ottobre del 2018, il gruppo di lavoro di PICMG ha iniziato, sotto la supervisione di Christian Eder, l’opera di definizione delle specifiche per il modulo COM-HPC. La messa a punto di queste specifiche era necessaria in quanto il connettore della scheda COM Express non è più in grado di supportare i bus di comunicazione a elevata ampiezza di banda e ad alta frequenza richiesti per tutte le tipologie di nuovi dispositivi IoT/5G connessi. Attualmente l’elemento trainante è congatec, azienda fondata nel 2005 come società produttrice di soli moduli al fine di evitare di competere con i suoi stessi clienti proponendo soluzioni a livello di sistema. Per inciso, si tratta della stessa azienda che ha promosso gli standard Qseven e SMARC 2.0.

Internet a larga banda richiede computer a larga banda

Così come è successo nel passaggio da ETX a COM Express, l’introduzione di nuove tecnologie di bus ha comportato l’avvento di un nuovo standard. Obiettivo delle specifiche COM-HPC è creare un nuovo standard per moduli COM per l’elaborazione a larga banda su Internet a larga banda adatta a supportare i segnali ad alta frequenza delle interfacce PCI Express (da gen 3 a gen 5). In ogni caso, COM-HPC non deve essere visto come una sostituzione di COM Express, così come quest’ultimo non ha rappresentato una sostituzione dello standard ETX.  Come già menzionato in precedenza, i moduli ETX/XTX sono ancora oggi disponibili, consentendo agli utilizzatori di continuare a operare seguendo gli stessi principi di progettazione anche dopo vent’anni. A questo proposito è utile sottolineare il fatto che il nuovo standard per moduli COM-HPC è una conferma che i concetti di base validi allora lo sono tuttora. Oltre a ciò, non va dimenticato il fatto che le attività associate all’integrazione di nuovi processori sono diventate sempre più complesse, per cui è ancora più importante poter disaccoppiare gli I/O dal modulo processore attraverso una scheda carrier specifica per la particolare applicazione considerata.

A questo punto può essere utile chiedersi se non sarebbe stato meglio procedere a un ulteriore sviluppo dello standard COM Express, invece di definire un nuovo standard. La risposta è molto semplice: il nuovo standard COM-HPC non richiede solamente un nuovo connettore, ma vi sono numerose funzionalità di COM Express di tipo “legacy” che non sono più necessarie e devono quindi essere eliminate. Ciò è dovuto al fatto che il nuovo standard si rivolge ad applicazioni i cui requisiti sono di gran lunga superiori rispetto a quelli tipici delle applicazioni di fascia alta dei moduli COM Express. In ogni caso l’obiettivo finale è offrire agli OEM i vantaggi tipici di un ecosistema ampio e articolato e della reputazione di PICMG (e dei suoi standard), ed è questo il motivo per cui la semplicità di migrazione rappresenta una priorità. L’esperienza e le competenze acquisite nelle migrazione da ETX a COM Express dovrebbero rappresentare un’ottima base di partenza.

Per queste ragioni, ci saranno due versioni con classi di prestazioni del tutto (o quasi) nuove al di sopra delle specifiche COM Express con pinout Type 7 e Type 6 (Figg. 6-7). La prima ha per target i server edge, che richiedono più interfacce di comunicazione invece di funzionalità di elaborazione grafica ad alte prestazioni, disporrà anche di un gran numero di core per il consolidamento dei carichi di lavoro. L’altra invece è finalizzata ad ampliare e potenziare le risorse di elaborazione tipiche delle applicazioni di fascia alta con nuove opzioni che permetteranno di ottenere prestazioni che COM Express non è in grado di offrire, anche a livello di grafica. L’elenco delle migliorie è molto ampio e comprende porte USB 3.2 (che supportano velocità di trasferimento di 20 Gbit/s), USB 4.0 (40 Gbit/s), interfacce PCIe gen 4/5 in configurazione x2/x4 e re-timer, porte Ethernet che supportano velocità di 100/200 Gbit/s, interfaccia NVMe (Non Volatile Memory express) e molte altre ancora.

Raddoppio del numero di pin e un massimo di 8 zoccoli DIMM

Un elemento essenziale delle nuove specifiche è il connettore. Quello di COM Express, ad esempio, supporta interfacce PCIe Gen 3, con velocità di clock di 5 GHz e velocità di trasferimento dati di 8 Gbit/s. Il nuovo connettore definito dalle specifiche CPM-HPC può supportare velocità superiori a 32 Gbit/s, adeguate quindi per le interfacce PCIe gen 5.0. Oltre a ciò, sono previste fino a 64 canali (lane) PCIe, un numero sufficiente per connettere un gran numero di GPGPU (ovvero GPU utilizzate per compiti di elaborazione general purpose) da utilizzare ad esempio in applicazioni di apprendimento automatico. COM Express, dal canto suo, può supportare un massimo di 32 canali PCIe. Le prestazioni offerte da COM Express, limitate attualmente a 10 Gb Ethernet per coppia di segnali, saranno aumentate fino a 25 GB Ethernet per coppia di segnali, in modo da garantire il supporto di connessioni 100 GB Ethernet. Le nuove generazioni di processori per applicazioni di elaborazione edge richiedono la diponibilità di un gran numero di connessioni, oltre a un maggiore spazio per gli zoccoli DIMM rispetto a quello disponibile in precedenza. Le attuali specifiche prevedono fino a un massimo di otto zoccoli DIMM e 800 pin per la scheda carrier, ovvero un numero quasi doppio rispetto a quello di COM Express (440 pin).

Fig. 6-7 – I moduli COM-HPC di congatec saranno disponibili in due versioni che differiscono a livello di prestazioni: la versione client e quella server, come accade per le attuali versioni di COM Express con pinout Type 6/7. Fin dall’inizio sono state specificate due differenti ingombri (footprint) per ciascuna versione, per cui quella per i moduli COM-HPC di fascia alta, di dimensioni maggiori, sarà in grado di ospitare fino a 8 zoccoli DIMM. Come si può evincere facilmente dalle due immagini, la posizione dei connettori per il collegamento delle schede è identico per le due versioni

Nonostante le apparenze, lo sviluppo di un nuovo standard non è un’operazione semplice. Si pensi solamente al notevole incremento del livello di complessità legato all’aumento della frequenza dei segnali. congatec e Samtech, ad esempio, hanno cooperato per due anni sulla definizione delle specifiche e sui collaudi del connettore COM-HPC in grado di supportare moduli fino a 300 W. Il gruppo di lavoro di PICMG, comunque, non è stato istituito fino al mese di ottobre del 2018. Ciò è una chiara testimonianza della gran mole di lavoro svolto in precedenza, grazie al quale è stato possibile accelerare il processo decisionale di questo gruppo di lavoro.

Disponibilità dei moduli COM-HPC

Tutte le aziende coinvolte nel processo di standardizzazione si augurano che il processo di standardizzazione non venga bloccato da PICMG, come in passato è avvenuto per lo standard COM Express. Il successo dipende in larga misura dal fatto che nessuna azienda riesca ad anticipare le mosse delle altre. Questa è il motivo per cui tutte le aziende sono restie a fare annunci pubblici. Dietro le quinte, comunque, le rispettive divisioni coinvolte nelle attività di sviluppo stanno attivamente lavorando sui primi progetti basati sui processori di ultima generazione, che i produttori di semiconduttori come Intel condividono con i principali clienti attraverso programmi EAP (Early Access Program). I primi moduli COM-HPC di congatec pronti per entrare in produzione saranno verosimilmente disponibili nei primi mesi del 2020, in contemporanea con il lancio previsto delle ultime generazioni di soluzioni di elaborazione embedded da parte dei principali produttori.  Si tratta di una tempistica coerente con quella relativa al lancio dei moduli COM Express.

PICMG: un consorzio affidabile

PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) è un consorzio formato da oltre 140 aziende che sviluppa specifiche (esenti da brevetti e liberamente disponibili) per applicazioni nei settori industriale e delle telecomunicazioni che richiedono elevate prestazioni. I membri di questo consorzio sono per la maggior parte aziende tecnologicamente all’avanguardia che possono vantare molti anni di esperienza nei rispettivi settori. Il consorzio è attualmente impegnato nella stesura delle specifiche COM-HPC che definiranno un’architettura aperta per i moduli COM della prossima generazione. Tra le aziende coinvolte nello sviluppo delle specifiche COM-HPC vi sono Adlink, congatec e Kontron, in qualità di sponsor del gruppo di lavoro, oltre ad Advantech, Amphenol, Bielefeld University, Elam Electronic, Emerson Machine Automation Solutions, ept, Fastwell Group, Heitec, Intel, MEN Mikro Elektronik, MSC Technologies, N.A.T., Samtec, SECO, TE Connectivity, Trenz Electronic e VersaLogic. Chairman del gruppo di lavoro è Chrstian Eder di congatec.

Zeljko Loncaric, Marketing engineer (congatec)

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