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Intels 11. Generation Core-CPUs auf COM Express und COM-HPC

Mit dem Launch von Intels 11. Core-Prozessorgeneration (Tiger Lake UP3) stehen Entwickler vor der Frage, ob sie ihr neues Design auf Basis von COM Express Type 6 oder COM-HPC Client entwickeln sollen. Dieser Artikel bietet eine Entscheidungshilfe.

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Zwei attraktive Optionen: Die 11. Generation Intel-Core-Prozessoren auf COM Express und COM-HPC.
Zwei attraktive Optionen: Die 11. Generation Intel-Core-Prozessoren auf COM Express und COM-HPC.
(Bild: Congatec)

COM Express und COM-HPC sind keine konkurrierenden Spezifikationen; sie sind eher komplementär konzipiert. So zeigen die aktuellen Computer-on-Modules mit Intels 11. Core- Prozessorgeneration eindeutig, dass COM-HPC in der Version Client nahtlos an COM Express Type 6 anschließt, auch weil diese Prozessoren auf beiden Formfaktoren verfügbar sind.

Entwicklern stehen damit nun zwei Wege offen, die hoch attraktive Intel-Core-Prozessorgeneration in ihre modularen Designs zu integrieren, die durch eine deutlich höhere CPU-Leistung und eine rund als dreimal höhere GPU-Leistung zusammen mit modernster PCIe Gen4- und USB4-Unterstützung überzeugt und auch in Bezug auf die Echtzeitfähigkeit zahlreiche Benefits wie beispielsweise Time Synchronized Networking (TSN) Support bietet. Dadurch müssen Nutzer sich aber auch entscheiden – vor allem die, die bislang auf COM Express gesetzt haben. Wollen sie bestehende COM Express-Investitionen skalieren oder doch auf eine neue Plattform umsatteln? Sie fragen sich vielleicht auch: Ist mit dem Anfang von COM-HPC auch das Ende von COM Express eingeläutet? Wie lange wird COM Express noch angeboten? Muss ich jetzt schon zu COM-HPC wechseln, oder kann ich noch warten? Wichtig ist es zu prüfen, welche Vorteile für Kunden entstehen, wenn man auf COM-HPC wechselt. Wird sich die eigene Wettbewerbsposition mit COM-HPC verbessern? Wird mein Design als innovativer wahrgenommen? Viele wissen ja auch, dass Kunden das Design oft danach bewerten, ob der neueste Prozessor auch schon integriert ist. Beim Formfaktor kann das ebenfalls eine Rolle spielen. Um all diese Fragen beantworten zu können, ist es vor allem wichtig zu wissen, was COM-HPC-Client-Module neues zu bieten haben, und wie sie sich von COM Express-Type-6-Modulen unterscheiden.

Footprint Basic versus Size A: Nur marginale Unterschiede

COM-HPC Client ist, genauso wie COM Express Type 6, eine Computer-on-Modules Spezifikation der PICMG. Sie ist Teil des neuen COM-HPC-Standards. Dieser spezifiziert auch COM-HPC-Server-Module, die in diesem Paper jedoch nicht weiter betrachtet werden müssen, da sie – nomen est omen – auf Server abzielen und headless sind, während COM-HPC-Client-Module genauso wie COM-Express-Type-6-Module auch Grafik unterstützen. Für COM-HPC-Client-Module sind drei Footprints der Größen 120 mm x 160 mm (Size C), 120 x 120 mm (Size B) und 120 mm x 95 mm (Size A) spezifiziert. Damit weist der kleinste Footprint von COM-HPC Client nahezu identische Abmessungen auf, wie COM Express Basic mit 125 mm x 95 mm. COM Express Compact ist mit 95 mm x 95 mm bereits rund 21% kompakter. Dadurch ist also zu erkennen, dass sich COM-HPC-Client-Module generell oberhalb von COM-Express-Type-6-Modulen verorten und damit auch High-Performance Applikationen adressieren, die sich mit COM Express nicht umsetzen lassen. Dennoch gibt es bei COM Express Basic und COM-HPC Size A vom Footprint her quasi keine Unterschiede. Ein Wechsel von COM Express Basic zu COM-HPC Size A ist also überhaupt kein Problem, da dieser Formfaktor nur 4% kleiner ist. Wer also ein COM-Express-Basic-Layout hat, weil er immer die leistungsfähigsten Prozessoren integrieren muss, die man nicht auf COM Express Compact bekommen konnte, für den wird COM-HPC Client Size A der Formfaktor der Stunde sein. Wer aber ein Layout der Größe COM Express Compact benötigt der findet bei COM-HPC kein passendes Pendant. Für den Launch von Intels 11. Core-Prozessorgeneration hat sich congatec deshalb bei COM Express Type 6 für eine Compact-Auslegung entschieden, während der Tiger Lake UP3 bei COM-HPC Client in Size A angeboten wird.

COM-HPC spezifiziert eine höhere TDP

Analog zu den gegenüber COM Express größeren Footprints erlauben COM-HPC-Client-Module generell auch ein höheres Leistungsbudget von bis zu 200 Watt TDP. Das ist ungefähr das dreifache der aktuell leistungsstärksten COM-Express-Type-6-Module und knapp 46% mehr als COM Express Basic mit 137 Watt TDP als Obergrenze zulässt. Wer also mehr TDP und damit Prozessorleistung braucht oder langfristig nutzen möchte, als COM Express ermöglicht, kommt an COM-HPC nicht vorbei. Diese maximale TDP wird aber voraussichtlich nicht so schnell auf Size A verfügbar sondern voraussichtlich eher auf größeren Size-B- oder C-Modulen oder auch in der COM-HPC-Server-Klasse mit Size D und E verfügbar, die sogar bis zu 300 Watt erlaubt. Insofern werden COM-Express-Size-A-Module, wie das neue 15 Watt conga-HPC/cTLU mit Intels 11. Core-Prozessorgeneration eher im Performancebereich bisheriger COM-Express-Module liegen und damit COM-HPC auch sehr attraktiv für COM-Express-Entwickler machen, denn COM-HPC Client bietet letztlich mehr Datenbandbreite als COM Express Type 6, was man vor allem sehr gut an der Anzahl der Signalpins ablesen kann.

440 Pins versus 800 Pins mit höherer Leistung

Aus Sicht des Modul-Layouts liegt der wichtigste Unterschied zwischen COM Express Basic Type 6 und COM-HPC Client Size A im Anschluss und der Anzahl der Signalpins, die das Modul mit dem applikationsspezifischen Carrierboard verbinden. Ähnlich wie COM Express baut auch COM-HPC dabei auf zwei Konnektoren, allerdings nun mit jeweils 400 Pins anstelle 220, sodass COM-HPC mit 800 Signalpins fast die doppelte Menge aufweist wie COM-Express-Type-6-Module mit 440 Pins. Dadurch können natürlich auch viel mehr Interfaces ausgeführt werden.

Gleichzeitig ist der COM-HPC Konnektor auch für die neuen High-Speed-Interfaces ausgelegt und bereits für die hohen Taktraten von PCIe 5.0 und 25 Gb/s Ethernet qualifiziert. COM Express reicht hier aktuell nur bis PCIe Gen 3.0 und PCIe 4.0 im Kompatibilitätsmodus. Der Anschluss ist nun also der limitierende Faktor. Allerdings gibt es Bemühungen, den COM-Express-Konnektor durch einen mechanisch voll kompatiblen aber elektronisch leistungsfähigeren zu ersetzen. Dies ist vielversprechend für die langfristige Bestandssicherung von COM Express.

Der Arbeitsspeicher ist abhängig vom Footprint

Beim Arbeitsspeicher greift sowohl COM-HPC als auch COM Express auf SODIMMs oder gelöteten Speicher zurück. Was bei COM-HPC Client in Size A möglich ist, haben reale COM-Express-Basic-Designs bewiesen: Hier wurden schon bis zu 128 GByte Speicher verfügbar gemacht. Auf 4% mehr Raum wird kaum mehr möglich sein. Man muss bei dieser Größe also schon darauf bauen, dass pro Sockel zukünftig mehr RAM möglich wird, die Bauteiledichte und Bandbreite sich also erhöht. Beim Arbeitsspeicher gibt es zwischen Size A und Basic folglich keinen Unterschied. Wer mehr braucht, muss größere Formfaktoren nutzen. COM Express spezifiziert hierfür zwar auch größere Module oberhalb des Basic-Formfaktors. Nur haben sie in der Praxis quasi keinen Niederschlag gefunden. Insofern steht zu erwarten, dass größere Module vor allem auf Basis des COM-HPC-Standards entwickelt werden. Und dies wird voraussichtlich auch bald in die Tat umgesetzt, denn COM-HPC-Server-Module adressiert Lösungen bis hin zur Mid-Performance-Server-Klasse die an Arbeitsspeicher nie genug haben können. Sie können hierfür 8 vollwertige DIMM-Speichermodule und damit aktuell bis zu 1,0 Terabyte Arbeitsspeicher hosten. Vergleicht man die aktuell gelaunchten Tiger-Lake-UP3-Module in COM Express Type 6 Compact und COM-HPC Client Size A, so bietet letzterer mehr Platz für Speicher. Genutzt hat man diesen aber nicht, denn beide Module bieten 2 SO-DIMM-Sockel für 3200 MT/s schnelle 32-GByte-DDR4-Module. Also insgesamt 64 GByte RAM. Mehr unterstützen Intels Core-Prozessoren der 11. Generation aber auch nicht. Wegen mehr Arbeitsspeicher zu wechseln, bedeutet unter gleichbleibenden Umständen also auch immer einen größeren Formfaktor als COM Express Basic oder COM-HPC Size A wählen zu müssen. Da sich die Speicherdichte aber auch immer weiter erhöht, dürfte der Arbeitsspeicher für die angestrebten Multi-Purpose Applikationen auch in Zukunft kein limitierender Faktor sein.

Grafik bleibt gleich, Audio ist neu

Äquivalent bei beiden Standards ist der Grafiksupport. COM- HPC Client und COM Express Type 6 unterstützen beide bis zu vier Displays über drei Digital Display Interfaces (DDI) und 1 x embedded DisplayPort (eDP). Bleibt man bei den Multimediaschnittstellen, so wird bei COM-HPC das bisher bei COM Express verfügbare HDA-Interface durch SoundWire ersetzt. SoundWire ist ein neuer MIPI-Standard, der lediglich zwei Leitungen benötigt: Clock und Data mit einem Takt von bis zu 12,288 MHz. Über diese beiden Leitungen können bis zu vier Audio Codecs parallel angeschlossen werden, wobei jeder Codec eine eigene ID erhält, die ausgewertet wird. Pluspunkte folglich für COM-HPC, wenn Sound eine wichtige Rolle spielt.

Große Unterschiede bei PCIe und GbE

COM-HPC-Client-Module bieten bis zu 49 PCIe Lanes, von denen eine jedoch für die Kommunikation mit dem BMC des Carrierboards vorgesehen ist. Das ist doppelt so viel wie COM Express Type 6 mit seinen maximal 24 Lanes bietet. Direkt vom Modul können zudem auch zwei 25 GbE KR Ethernet und bis zu zwei 10 Gb BaseT Interfaces ausgeführt werden. COM Express Type 6 unterstützt maximal 1 x 1 GbE, wobei weitere Netzwerkschnittstellen natürlich über PCIe angebunden über das Carrierboard ausgeführt werden können. Bei dem konkreten Launch der 11. Core-Prozessorgeneration von Intel ist das Potenzial aber bei weitem noch nicht ausgeschöpft. Beide Module bieten Gen 4 über eine PCIe-x4-Schnittstelle an, um externe Peripheriegeräte mit massiver Bandbreite anzuschließen. Darüber hinaus können Entwickler bei beiden Modulen auch 8 x PCIe Gen 3.0 x1 Lanes nutzen. Hier gibt es also prozessorbedingt keinen Unterschied. Bei GbE haben die neuen COM-HPC-Client-Module jedoch die Nase vorne: Sie bieten nativ 2 x 2,5 GbE für die Vernetzung, während COM-Express-Module nur 1 x GbE nativ ausführen. Die Kosten für entsprechende Bauelemente auf dem Carrierboard zur Herstellung gleicher Funktionalität müssen COM-Express-Entwickler folglich spendieren. Beide Module unterstützen zudem TSN, also Echtzeit-Kommunikation über Ethernet. So groß sind die Unterschiede im Moment also noch nicht, sodass bezüglich PCIe und GbE abgesehen von 2,5 GbE eher die Perspektive entscheidet, ob man COM Express oder COM-HPC wählt.

Höhere USB-Bandbreite und nativer Kamerasupport

Auch bei USB ist COM-HPC bereits für die schnelleren neuen Standards ausgelegt und spezifiziert schon heute bis zu vier USB 4.0 Interfaces, ergänzt um 4 x USB 2.0. Damit bieten COM-HPC-Client-Module rein zahlenmäßig zwar vier USB Ports weniger als COM-Express-Type-6-Module, die bis zu 4 x USB 3.2 und 8 x USB 2.0 ausführen können. Dafür bieten sie aber eine höhere Bandbreite, da USB 4.0 für Transferraten von 40 Gbit/s ausgelegt ist.

Attraktiv bei COM-HPC Client sind der native Support von maximal zwei MIPI-CSI-Schnittstellen für kostengünstige Kameraanbindungen. Sie machen es einfach, Kameras für unterschiedlichste Applikationen zu integrieren und ermöglichen das Sehen in 3D. Neben Identifikation der User, Gestensteuerung und Augmented Reality für Maintenance sind auch Videoüberwachung und optische Qualitätssicherung sowie Situational Awareness für autonome Fahrzeuge und kollaborative Robotik potenzielle Anwendungsfälle. Eindeutiger Pluspunkt also für COM-HPC, sofern die realen Implementierungen sie auch nutzen. Und in der Tat bietet das conga-HPC/cTLU zwei MIPI-CSI-Schnittstellen. Zusammen mit dem in der 11. Generation der Intel-Core-Prozessoren erweiterten x86-Befehlssatz und zum Beispiel VNNI Support sowie 96 Execution Units der neuen Intel-Grafik ergibt sich daraus ein äußerst attraktives Featureset für viele Machine-Vision-basierende Applikationen.

An weiteren Interfaces werden bei COM-HPC Client noch 2 x SATA für den Anschluss von traditionellen SSDs und HDDs geboten, die fast schon zu den Legacy-Devices zählen, sowie industrielle Schnittstellen wie 2 x UART und 12 x GPIO. 2 x I2C, SPI und eSPI runden die Funktionen ab. Damit sind diese Features vergleichbar mit COM-Express-Type-6-Modulen, die sich lediglich durch optionalen CAN Bus Support abheben.

Die Erfahrung zeigt: Es ist keine Eile geboten

Schaut man also auf die Unterschiede, so können OEM mit COM Express basierenden Designs beruhigt sein. Sie sind in vielen Fällen noch für etliche Jahre bestens bedient mit COM Express. Dies auch, weil COM-HPC keinen neuen Systembus einführt – anders als es beim Wechsel von ISA auf PCI und von PCI auf PCI Express und ein neuer Anschluss in der Evaluierung ist. COM-Express-Module haben ETX-Module zudem erst 2012 als meistverkaufte abgelöst. Also gut elf Jahre nach Vorstellung von ETX und sieben Jahre nach der Einführung von COM Express. Und noch heute werden ETX-Module angeboten. Da PCIe-Generationen abwärtskompatibel zu ihren Vorgängern sind, werden Entwicklungen mit PCIe Gen 3.0 also noch lange Bestand haben, selbst wenn PCIe Gen 4.0 flächendeckend auf Prozessorebene eingeführt sein wird. Es ist also definitiv kein Wechsel erforderlich, solange die gegebene Schnittstellenspezifikation und die gegebenen Bandbreiten ausreichen.

Für wen es klug ist, auf COM-HPC zu setzen

Wer aktuell aber die volle USB-4.0-Bandbreite, 2,5 GbE, SoundWire und MIPI-CSI benötigt, der muss auf COM-HPC umsteigen. Wer zukünftig mehr oder noch leistungsfähigere PCIe- oder Ethernet-Schnittstellen bis hin zu 25 GbE braucht, sollte ebenfalls COM-HPC bevorzugen. Zudem sollten Entwickler performanterer Systeme bedenken, dass sie einfacher auch nach unten skalieren können, wenn sie einen Standard nutzen – alles also in COM-HPC umsetzen können. Ansonsten gilt: „Never change a running System“. Auch weil COM Express einen neuen Konnektor testet. Doch Halt. Ein Punkt muss noch erwähnt werden: Im Zuge der COM-HPC Launches wird auch ein erweitertes Remote-Management Interface verfügbar. Dieses Interface wird gerade im PICMG-Remote-Management-Subkomitee erarbeitet. Es verfolgt das Ziel, einen reduzierten Teil des komplexen Funktionssatzes Intelligent-Plattform-Management-Interface (IPMI) für das Remote-Management von Edge-Server-Modulen verfügbar zu machen. Ähnlich wie bei der Slave-Funktion für PCI Express wird COM-HPC also auch für das Remote-Management erweiterte standardisierte Funktionen zur Kommunikation mit den Modulen bereitstellen. OEM und Anwendern werden mit diesem Funktionssatz einfach die auch sonst bei Servern übliche Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit, Wartbarkeit und Sicherheit sicherstellen können, die auch RAMS genannt wird, was für Reliability, Availability, Maintainability, Safety steht. Diese Funktionalität lässt sich über den auf dem Carrierboard zu implementierenden Board-Management-Controller auch noch individuell ausbauen, so dass OEM eine immer gleichbleibende Basis für das Remote-Management erhalten, die sie nach ihren Anforderungen aber beliebig erweitern können.

Es ist aber nicht ausgeschlossen, dass diese Funktionen dann auch bei COM Express zur Anwendung kommen können. Eine Revision der Spezifikation wird hierzu jedoch erforderlich sein, da die Kommunikation zwischen Modul und Carrier neu zu regeln sein wird. Da das Thema komplex und für Edge-Computing-Entwickler von großem Interesse ist, wird congatec zu den neuen Remote-Management-Features in Kürze ein weiteres Whitepaper verfügbar machen. Interessenten können sich schon heute zum Empfang dieses Whitepapers registrieren.

Fazit: Es zeigt sich, dass COM-HPC in der Version Client nahtlos an COM Express Type 6 anschließt. COM Express ist bei einem bestehenden Leistungsniveau der starke Player im Mittelfeld und erfüllt eine wichtige Rolle bei der zunehmenden Digitalisierung. COM-HPC (High Performance Computing) kann auf Modulebene ein breites Spektrum kommender rechenintensiver Anwendungen abdecken wo bandbreitenintensive Datenströme in einem kompakten Edge-Gerät verarbeitet werden müssen.

* * Christian Eder ... ist Director Marketing bei congatec und Vorsitzender des PICMG-Unterausschusses für COM-HPC

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