Serie Modulare Computersysteme, Teil 3/4 Bewährt und leistungsstark: MicroTCA

Autor / Redakteur: Aksel Saltuklar, Florian Faltin * / Holger Heller

MicroTCA hat sich als Standard für modulare Computersysteme etabliert, bietet weite Skalierbarkeit und hohe Leistung bei moderaten Kosten. Einzigartig sind die Möglichkeiten für Management und redundanten Aufbau.

Firmen zum Thema

MicroTCA-System von ELMA: Backplane, Stromversorgung, Lüfterkassette, Managementeinheit mit Switch und bis zu 12 AMC-Module
MicroTCA-System von ELMA: Backplane, Stromversorgung, Lüfterkassette, Managementeinheit mit Switch und bis zu 12 AMC-Module
(ELMA)

MicroTCA (MTCA oder µTCA) ist ein von der PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) definierter, 2006 eingeführter und inzwischen gut etablierter Standard, der serielle Hochgeschwindigkeitsarchitekturen unterstützt. Der MicroTCA Standard definiert die Umgebung, in der die Advanced Mezzanine Cards (AMCs) in einem System betrieben und dabei direkt auf eine Backplane gesteckt werden. Die grundlegenden Eigenschaften werden dabei in der PICMG AMC.0 R2.0 definiert.

Bildergalerie
Bildergalerie mit 5 Bildern

Die verschiedenen Protokolle mit ihrer spezifischen Portbelegung sind in den entsprechenden Unternormen dazu festgelegt: AMC.1 (PCI Express), AMC.2 (Ethernet) AMC.3 (Storage) und AMC.4 (Serial RapidIO). Seit 2006 wurde auch die in MTCA.0 definierte, telekommunikationsorientierte Systemarchitektur sukzessive erweitert: MTCA.1 (Air Cooled Rugged) ermöglicht den Einsatz in rauerem Umfeld wie etwa bei mobilen Telekommunikationsanlagen oder in produktionsnaher Industrie sowie in Transport- und Verkehrswesen. MTCA.2 (Hardened Air Cooled) befasst sich mit noch strengeren Anforderungen für luftgekühlten Einsatz bei Militär und Luftfahrt. MTCA.3 (Hardened Conduction Cooled) kommt bereits seit einiger Zeit in Luft- und Raumfahrt, Transportwesen und Wehrtechnik zum Einsatz.

MTCA.4 (Enhancements for Rear I/O and Precision Timing) erweitert MTCA.0 um korrespondierende RTMs (Rear Transition Module) und um spezielle Signale, die ein genaues Timing ermöglichen, wie sie hauptsächlich bei hochpräzisen Anwendungen in Forschungseinrichtungen (wie Desy, Cern) benötigt werden.

Hochleistungscluster mit Mehrkern-Prozessoren

AMCs gibt es in sechs Varianten: Als Bauhöhen „Single“ und „Double“ mit den Größen 73,5 mm x 180,6 mm und 148,5 mm x 180,6 mm und diese jeweils in drei Slotbreiten: Compact-, Mid- und Full-Size Modul mit einer Breite von 0,6 / 0,8 bzw. 1,2". Durch die im Standard festgelegten Kühlleistungen sind trotz der kompakten Baugrößen relativ hohe Verlustleistungen von maximal 24/30/48 W für Single- und 48/60/80 W für Double-Module möglich. Damit ist der Aufbau von Hochleistungsclustern mit leistungsfähigen Mehrkern-Prozessoren problemlos möglich.

MicroTCA-Systeme sind fast beliebig skalierbar und sind in einer Vielzahl an Gehäusevarianten erhältlich: In industrieller oder in Rugged-Ausführung, mit Luft- oder Konduktionskühlung, für vertikalen oder horizontalen Moduleinbau sowie als ATR-Gehäuse, und seit MTCA.4 auch für den Einsatz von Rear Transition Modulen. Neben standardisierten 19"-Ausführungen in unterschiedlichen Bauhöhen existieren mit „Cube“, „Pico“ und „Nano“ auch fest vordefinierte, oft als vorkonfigurierte Komplettlösungen angebotene Gehäusevarianten.

Intern gliedert sich ein MicroTCA System in folgende Komponenten: Backplane, Stromversorgung (PM; Power Module), Lüfterkassette (CU; Cooling Unit), Managementeinheit mit Switch (MCH; MicroTCA Carrier Hub) und bis zu 12 AMC-Module. Aufgrund der Switch-basierten Architektur können alle AMCs CPU- oder Peripheriemodule sein. PM, CU, MCH, sowie alle AMC Module sind als FRUs (Field Replaceable Units) ausgelegt, also im laufenden Betrieb wechselbar (Hot Swap), die ersten drei natürlich nur bei jeweiliger Modul-Redundanz.

Robuster Kartensteckverbinder für Backplane-Anbindung

Dabei steuert der MCH über das Softwareprotokoll IPMI das An- und Abschalten der Spannungsversorgung und entsprechende Initialisierungs- bzw. Shutdown-Prozeduren. Hierbei werden die Kartendaten zunächst ausgelesen und auf Kompatibilität geprüft. Äußerlich wird der Vorgang durch eine blaue Status-LED angezeigt, die dauerhaft leuchtet, wenn ein Modul gefahrlos getauscht werden kann. Ergänzt wird die Hot-Swap Funktionalität durch ein elektronisches Keying (E-Keying). Dieses stellt sicher, dass die AMCs nur die Kommunikationsschnittstellen aktivieren können, welche mit den Gegenstellen auch kompatibel sind.

Zur Anbindung an die Backplane kommt ein besonders robuster Kartensteckverbinder (Edge Connector) zum Einsatz. Pro eingeschobener Kontaktzunge (Tongue) stehen hier 170 Kontakte zur Verfügung (85 je Seite). Damit lassen sich für die Datenübertragung 20 Ports nutzen (je ein differentielles Paar für Senden/Empfangen). Davon sind die Ports 0 bis 11 vom System festgelegt und die Ports 12-15 und 17-20 frei für anwenderspezifische Zwecke (Bild 1). Die Leitungspaare des vormaligen Port 16 werden nun als Redundanz der Taktnetzwerke bei Telekommunikationsanwendungen eingesetzt; die Nummerierung der bisherigen Ports 17-20 wurde aber beibehalten, um Verwechslungen zu vermeiden. MTCA.4 erweitert die Anzahl an Kontakten bei Double-Modulen über einen zusätzlichen Stecker um bis zu 30 weitere differentielle Paare, mit denen Rear Transition Module (RTM) angebunden werden können.

(ID:38070960)