Serie Modulare Computersysteme, Teil 2/4 Performant und flexibel: VPX/OpenVPX

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

Der VMEbus-Nachfolger VPX (VITA 46) ist fast beliebig skalier- und konfigurierbar. Doch zu viele Freiheiten machen die Architektur auch undurchsichtig. OpenVPX (VITA 65) schafft Abhilfe.

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Modulare Computersysteme im Vergleich: VPX/OpenVPX
Modulare Computersysteme im Vergleich: VPX/OpenVPX
(ELMA)

Als das VITA-Gremium (VMEbus International Trade Association) einen Nachfolger für den damals über 30 Jahre im Markt erfolgreichen VMEbus definierte, stand fest, dass dieser Nachfolger wieder mindestens ebenso lange im Markt Bestand haben muss. Im Zeitalter ständig fortschreitender Technologien ist dies nur dann zu erreichen, wenn der Basisstandard eine flexibel erweiterbare, grundlegende Plattform darstellt und die spezifischen Technologien in separaten Normen darauf aufsetzen können.

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So definiert der Basisstandards ANSI/VITA 46.0-2007 VPX als Basistechnologie mit dem bewährten Europakartenstandard nach IEEE1101.x.

Darüber hinaus wird in der ANSI/VITA 48.0 VPX REDI (Ruggedized Enhanced Design Implementation) und deren „Subspezifikationen“ drei mögliche Slotabstände von bis zu einem Zoll definiert. Durch diese Verbreiterung wird eine bessere Kühlung gewährleistet, die auch höhere Verlustleistungen und damit leistungsstärkere Einsteckkarten erlaubt. Zudem werden Luft-, Leit- und Flüssigkeitskühlung definiert und die mechanischen Formfaktoren dazu spezifiziert.

Um eine Datenübertragung mit exzellenter Signalintegrität zu gewährleisten, werden neuartige Steckverbinder eingesetzt, die statt der gewöhnlichen Pins sogenannte „Wafer“ verwenden. Dies sind kleine Leiterplatten, auf denen die Signale über Leiterbahnen impedanzkontrolliert geführt werden. Hierdurch werden Datenraten von 6 Gbit/s je Lane und darüber hinaus ermöglicht.

Zudem beschreibt die Basisspezifikation die Spannungsversorgung, einige grundlegende Signale sowie eine „Basisdefinition“ der Pinbelegungen. Die Basisspezifikation wird durch diverse „Subspezifikationen“ erweitert, die spezifische Protokolle (z.B. Gigabit Ethernet, PCI Express, Serial RapidIO, Serial ATA, InfiniBand und Aurora) definieren und diese den Pins von Steckkarte und Backplane zuweisen (z.B. ANSI/VITA 46.7 Ethernet on VPX Fabric Connector).

OpenVPX-System Specification

Diese Unter-Spezifikationen 46.x liefern somit die Infrastruktur für „Einheiten“, die mechanisch, elektrisch, thermisch und funktionell alle Anforderungen an eine moderne Technologie erfüllen. Allerdings führten in der Praxis die hohe Anzahl der Signale auf den VPX Steckern und die damit verbunden Freiheitsgrade zu einer ungenügenden Eingrenzung der Pinbelegungen. Dies stellt jedoch die Grundlage für Austauschbarkeit von Modulen und klare Topologien bei einer Systemarchitektur dar.

Um dieser Problematik entgegen zu wirken wurde in der ANSI/VITA 65-2010 (OpenVPX-System Spezifikation) sogenannte Profile eingeführt. Diese beschreiben sehr genau die Einsteckkarten (Module), dazu passende Backplane-Slots und darüber hinaus auch für komplette Topologien für Backplanes. Mit solchen Profilen werden Module und Backplanes relativ simpel und doch exakt so spezifisch beschrieben, dass für den Anwender eine genaue Definition und Austauschbarkeit gegeben ist, also die grundlegende Interoperabilität der Komponenten für jede neue Architektur.

OpenVPX legt zunächst einige Begrifflichkeiten fest. Zunächst wird die Übertragung zwischen den Modulen in unterschiedliche „Planes“ unterteilt:

  • Die „Utility Plane“ enthält Signale, die für alle Module gemeinsam sind, wie Spannungsversorgung, Reset und Taktsignale.
  • Die „Management Plane“ enthält das Systemmanagement, das (neu) in VITA 46.11 (System Management on VPX) definiert wird. Diese Plane enthält außer den verwendeten Signalen noch zusätzlich die Protokollebenen der Managementsoftware.
  • Die „Control Plane“ wird zur Steuerung und Konfiguration der Module verwendet. Diese Control Plane ist auf Prozessorkarten und Switches vorhanden und wird als Gigabit Ethernet auf den Karten implementiert.
  • Die „Expansion Plane“ wird zur Erweiterung der Funktionalität bzw. der Schnittstellen eines Moduls genutzt. Dazu wird hauptsächlich PCI Express zur Erweiterung der Schnittstellen einer Prozessorkarte verwendet.
  • Die „Data Plane“ ist die Ebene, um leistungsstarke Rechnermodule, wie z.B. Prozessorkarten und FPGA-Boards, über eine breitbandige Schnittstelle miteinander zu vernetzen. Auch hier wird häufig PCI Express mit speziellen DMA-Engines verwendet, um beispielsweise aktuelle Intel-Prozessoren miteinander zu verbinden.

Zusammenschluss differenzieller Signalpaare

OpenVPX bedient sich zudem bewährter Begriffe für den Zusammenschluss verschiedener Anzahlen an differenziellen Signalpaaren. Die gängigsten dieser Begriffe sind:

  • Die „Ultra Thin Pipe“ (UTP) ist dabei das kleinste Element und besteht aus nur zwei differentiellen Paaren und kann z.B. für serialisiertes Gigabit Ethernet (1000Base BX) oder einfache PCI Express Lanes (PCIe x1) genutzt werden.
  • Die „Thin Pipe“ (TP) besteht aus vier differentiellen Paaren und wird vornehmlich für Gigabit Ethernet (1000Base-T) verwendet.
  • Die „Fat Pipe“ (FP) besteht aus acht differentiellen Paaren und kann als PCIe x4 oder 10GBASE-KX4 eingesetzt werden.
  • Die „Double Fat Pipe“ (DFP) und „Quad Fat Pipe“ (QFP) haben 16 bzw. 32 differentielle Paare und sind beispielsweise für PCIe x8 (DFP) bzw. PCIe x16 (QFP) nutzbar.

Die gesamte Bandbreite, die über eine „Pipe“ und damit über eine logische Verbindung zwischen zwei Modulen übertragen wird, ergibt sich aus der Übertragungsgeschwindigkeit und der Breite des Zusammenschlusses: So kann man über eine Fat Pipe mit PCI Express/Generation2 eine Übertragung von 20 GT/s (4 Lanes à 5 GT/s) realisieren, nach Dekodierung ergibt dies eine Bandbreite von 16 Gbit/s.

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