PICMG enthüllt neuen Standard COM HPC für Computer-on-Modules

| Redakteur: Margit Kuther

COM-HPC/Client-Modul: kommt mit einem oder zwei SO-DIMM-Sockeln und meistert bis zu vier Displays.
COM-HPC/Client-Modul: kommt mit einem oder zwei SO-DIMM-Sockeln und meistert bis zu vier Displays. (Bild: PICMG/congatec)

Der neue Standard COM HPC für leistungsstarke Computer-on-Module steht kurz vor der Ratifizierung. Erste Einzelheiten verraten Jessica Isquith, CEO der PICMG, und Christian Eder, Vorsitzender der Arbeitsgruppe PICMG COM HPC. Samples sollen Anfang 2020 verfügbar sein.

ELEKTRONIKPRAXIS: Der neue COM-HPC-Standard für High-Performance-Computer-on-Module steht kurz vor der Ratifizierung durch die Standardisierungsorganisation PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group). Worin liegen die wichtigsten Unterschiede zwischen COM HPC und COM Express?

Christian Eder: Computer-on-Modules nach dem kommenden Standard COM HPC – COM HPC steht für Computer-On-Module High Performance Computing – versprechen unter anderem eine erheblich höhere Übertragungsleistung, viel mehr High-Speed Schnittstellen und deutlich schnellere Netzwerkanbindung. Dies wird durch einen komplett neu entwickelten, leistungsfähigeren Steckverbinder vom Modul zum Carrierboard ermöglicht. Während COM Express diese Verbindung mit 440 Pins herstellt, sieht die COM-HPC-Spezifikation 800 Pins vor. Dadurch verdoppelt sich beispielsweise die maximale Anzahl der PCIe-Lanes von 32 bei COM Express Type 7 auf 64 bei COM-HPC/Server.

Und während COM Express maximal PCIe Gen 3.0 mit 8 GBit/s je Lane unterstützt, erreicht ein COM-HPC-Modul über PCIe-5.0 bis zu 32 GBit/s pro Lane, also die vierfache Datenrate von COM Express. COM-HPC-Module werden folglich für besonders leistungsorientierte Anwendungen zum Einsatz kommen, um beispielsweise Künstliche Intelligenz mit Deep Learning in Embedded-Systeme einzubetten oder gar taktiles Internet auf Edge-Server-Level umzusetzen.

Apropos Edge-Server: Welche Leistungssteigerungen sind mit Blick auf die Ethernet-Verbindung bei COM-HPC-Modulen zu erwarten?

Dieser gewaltige Geschwindigkeitszuwachs wirkt sich immens auf die Performance der Verbindung aus. Aktuelle COM-Express-Module (Type 7) im Edge-Server-Level bieten maximal 10 GBit Ethernet pro Signalpaar. Für COM HPC sind hingegen 25 GBit Ethernet (und mehr) spezifiziert. Mit bis zu acht Netzwerkverbindungen lassen sich dann Übertragungsraten von 100 GBit/s und theoretisch gar 200 GBit/s realisieren. Und diese werden vor allem für leistungsfähige Edge-Server-Lösungen am Rande der Telekom-Netze benötigt. Hier sind schnelle Up-, Down- und Crosslinks in alle Himmelsrichtungen zu bewerkstelligen; also nördlich in Richtung zentrale Cloud, östlich und westlich in Richtung benachbarte Edge-Fogs und auch südlich in Richtung Industrie-4.0-Steuerungen auf Prozessebene. Ein weiterer wichtiger Punkt beim High-Performance-Computing ist zudem der verfügbare Arbeitsspeicher. Im COM-HPC-Standard stehen je nach gewähltem Modul-Footprint bis zu acht DIMM-Bänke auf einem einzigen Modul zur Erweiterung des für Server-Anwendungen oft reichlich benötigten DRAM-Speichers bereit.

Sie sprechen von unterschiedlichen Modul-Footprints. Gib es gleich mehrere Modulklassen im neuen COM-HPC-Standard?

Ja. So wie es bei COM Express die High-End-Spezifikationen Type 6 und 7 gibt, haben wir auch bei COM HPC zwei Modulklassen vorgesehen, die unterschiedliche Anwendungs- und Performance-Ansprüche adressieren. Zudem gibt es innerhalb dieser zwei Modulklassen zwei unterschiedliche Formfaktoren analog zu COM Express Basic und COM Express Compact. Namentlich unterscheiden wir aktuell zwischen Server- und Client-Modulen analog dem Client/Server-Computing. COM-HPC/Server-Module sind, wie bereits erwähnt, für den Einsatz in Edge-Server-Umgebungen zugeschnitten und benötigen möglichst großzügige Arbeitsspeicherkapazitäten, eine besonders leistungsfähige Netzwerkanbindung und die Option, viele Cores zur Konsolidierung hoher Workloads bereitzustellen. Diese Server-on-Module werden mit dem Footprint 200 mm x 160 mm die erwähnten acht DIMM-Sockel hosten, während die kleineren Server-Module mit 160 mm x 160 mm bis zu vier DIMM-Sockel integrieren werden.

Und welche Merkmale kennzeichnen die COM-HPC-Client-Module?

Die COM-HPC/Client-Module sind etwas kompakter entwickelt, ebenfalls in zwei Footprint-Varianten mit 120 mm x 120 mm und 160 mm x 120 mm geplant und sollen für High-End-Anwendungen im Embedded Computing eingesetzt werden. Zur Ethernet-Anbindung stellen sie, anders als die Server-Module, maximal 2 x Gigabit-Ethernet-Schnittstellen (via NBASE-T) zur Verfügung. Dafür verfügen COM-HPC/Client-Module über integrierte Videoschnittstellen wie DDI und eDP/MIPI-DSI, über die sich – im Gegensatz zum COM-HPC/Server-Modulen – bis zu vier unabhängige hochauflösende Displays ansteuern lassen.

Während sich COM-HPC/Client-Module bei Bedarf auch vergleichsweise energiesparend einsetzen lassen, sind bei den auf maximale Konnektivität und Workload-Performance ausgelegten COM-HPC/Server-Modulen auch entsprechend hohe Leistungsaufnahmen einzuplanen. Während die Client-Module mit bis zu 200 Watt an Leistung versorgt werden können, stehen für die Server-Module bis zu 300 Watt bereit. Hierzu sieht die Spezifikation im Primary Connector auf jedem COM-HPC-Modul beachtliche 28 Power Pins vor.

Die leistungsfähigen COM-HPC-Module werden den COM-Express-Standard also bald ersetzen?

Sicher nicht. Zunächst einmal war die Entwicklung eines komplett neuen Standards bei COM-Modulen natürlich erforderlich, um auch für neuste High-Performance-Computing-Anwendungen die hierzu benötigen Hardware-Kapazitäten bereitstellen zu können. Bei Server-on-Module-Anwendungen im Edge-Level oder Machine-Learning mit ultraschnellen Anbindungen von Grafikprozessoren kommen nämlich selbst die momentan schnellsten COM-Express-Module an ihre Grenzen.

Und genau hier, im High-Performance-Computing und Top-Level-Bereich, beginnt der Einsatz der neuen, extrem leistungsfähigen COM-HPC-Module, da die hier geforderte Leistung durch COM-Express-Module einfach nicht mehr erbracht werden kann. Genau deshalb wird der COM-HPC-Standard den aktuellen COM-Express-Standard auch keinesfalls ersetzen, sondern beide Spezifikationen werden abhängig vom Einsatzgebiet und seinen Anforderungen voraussichtlich über viele Jahre und Jahrzehnte parallel existieren.

Als vor 15 Jahren der damals neue COM-Express-Standard eingeführt wurde, hat dies auch nicht zu einem raschen Wechsel von ETX auf COM Express geführt. Selbst heute finden sich immer noch neue ETX-Module im Handel, die nach wie vor auf Carrier Boards zum Einsatz kommen, die teils seit 15 Jahren ohne eine einzige relevante Designänderung in Einsatz sind.

Wer zeichnet sich für die Standardisierung von COM HPC verantwortlich?

Jess Isquith: Hinter COM HPC steht die Standardisierungsorganisation PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group), die auch für zahlreiche weitere offene Standards im Embedded-Computing-Markt verantwortlich zeichnet. In ihr sind mehr als 140 Unternehmen organisiert, um an patentfreien „Open Standards“-Spezifikationen für Telekommunikations- und Industrieanwendungen zu arbeiten. Die am 23. Oktober 2018 gegründete Arbeitsgruppe PICMG COM-HPC ist ein Subkomitee der PICMG und setzt sich aktuell aus zwanzig Mitgliedsunternehmen zusammen.

Seit dem Gründungstag werden in wöchentlichen Sitzungen die Inhalte des neuen COM-HPC-Standards geplant, diskutiert und festgelegt. Zu den in der PICMG COM-HPC organisierten Mitgliedern zählen neben der Universität Bielefeld die Unternehmen Adlink, Advantech, congatec, Elma Electronic, Emerson Machine Automation Solutions, EPT, Fastwel, GE Automation, Heitec, Intel, Kontron, MEN, MSC Technologies, N.A.T., Samtec, Seco, TE Connectivity, Trenz Electronic und VersaLogic. Die Unternehmen Adlink, congatec und Kontron treten außerdem als Sponsoren der Arbeitsgruppe auf.

Christian Eder, Marketing Direktor von congatec, ist Vorsitzender der Arbeitsgruppe PICMG COM-HPC und war bereits als Draft Editor an der Weiterentwicklung des aktuellen COM-Express-Standards maßgeblich beteiligt. Stefan Milnor von Kontron und Dylan Lang von Samtec unterstützen Christian Eder in ihren Funktionen als Editor und Schriftführer der Arbeitsgruppe PICMG COM-HPC.

Wann wird der Standard voraussichtlich vollständig ratifiziert sein?

Jess Isquith: Wir planen ein Pre-Release mit Angaben zu Pinout und Mechanik noch im Herbst 2019 zu veröffentlichen. Am Pinout und der Mechanik der Module wird von diesem Zeitpunkt an nichts mehr geändert werden, so dass die Mitglieder der COM-HPC-Arbeitsgruppe zeitnah mit Prototypen-Designs beginnen können und nicht bis zur endgültigen Ratifizierung des Standards warten müssen, die für das erste Quartal 2020 geplant ist. Mit ersten COM-HPC-Modulen oder Previews dürfte dann ebenfalls im ersten Quartal 2020 zu rechnen sein.

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