Congatec hat auf der Embedded World seine ersten Module präsentiert, die konform der – zurzeit noch vorläufigen – COM-HPC-Mini-Spezifikation sind. Damit OEM ihr Lösungsangebot zudem höchst agil optimieren und ausbauen können, reichen Module allein jedoch nicht aus. Das Unternehmen bietet daher ein komplettes COM-HPC-Ökosystem und löst den Gordischen Knoten, vor dem vor allem Entwickler besonders kompakter und leistungsfähiger Systeme standen: High-Performance in Mini zu bringen.
Christian Eder ist Director Product Marketing bei Congatec in Deggendorf
Mit der digitalen Transformation rücken Technik und Maschinen noch näher an den Menschen. Seien es kollaborative Roboter, autonome Fahrzeuge, KI-gestützte Medizingeräte und schnellere 5G-Kommunikation. Um bei diesen, sich ständig beschleunigenden Märkten weiterhin vorne mit dabei zu sein, müssen OEM ihr Lösungsangebot stetig überprüfen, höchst agil optimieren und ausbauen. Ein Performancesprung hin zum COM-HPC ist für viele neue Applikationen essenziell, denn die technischen Anforderungen steigen rasant: Situational Awareness durch KI basierte Videoanalytik erfordert mit zunehmend hohen Kameraauflösungen immens hohe Bandbreiten. Auch Sprachsteuerungen müssen latenzfrei erfolgen. Hierzu sind hochauflösende Datenstreams mittels KI zu verarbeiten. Grafik in Kombination mit Augmented Reality wird ebenfalls immer anspruchsvoller. Die parallele Datenverarbeitung bei kollaborativen Industrie-4.0-Prozessen erfordert für Echtzeit ebenfalls minimale Latenzen bei steigendem Datendurchsatz. Nicht zuletzt fordert auch Cybersecurity ein Mehr an Rechenleistung. Zudem wollen Systementwickler ihre Plattformen auch mit neuster Technik wie Thunderbolt 4 von der Konnektivätsfunktion her deutlich optimieren.
Der COM-HPC-Standard ist genau auf diese zunehmenden Anforderungen hin entwickelt worden. Nun wird das Applikationsspektrum sogar noch weiter geöffnet, denn mit der Verfügbarkeit von COM-HPC-Mini-Modulen mit Intel Core Prozessoren der 13. Generation (Codename Raptor Lake) steht Entwicklern in Kürze das komplette Ökosystem für die dritte Generation des modularen High-End Embedded- und Edge-Computings bereit. Es reicht von High-End-Server-on-Modules bis hin zu besonders platzsparenden Client-on-Modules, die kaum größer als eine Kreditkarte sind. Selbst extrem platzsparend ausgelegte COM-Express-Compact- und COM-Express-Mini-Lösungen können sich mit COM-HPC Mini neue High-End-Performance-Perspektiven und eine deutlich höhere Anzahl neuer High-Speed-Schnittstellen erschließen. Ganze Produktfamilien können damit hin zu dem neuen PICMG-Standard migrieren, ohne dass Systemdesigns im inneren Systemdesign und vom Gehäuse her aufgrund größerer Modul- und damit auch Carrierboard-Dimensionierungen angepasst werden müssen.
Design-Sprints von COM Express Compact zu COM-HPC werden nun möglich
Mit der Spezifikation von COM-HPC Size A war dieser Zustand noch nicht hergestellt, denn mit 95 x 120 mm ist dieser bislang kleinste Footprint des COM-HPC-Standards noch immer fast knapp 32 % größer als COM Express Compact, der 95 x 95 mm misst. Auf die Breite des Moduls bezogen sind das 25 mm, die zu viel sind, um bestehende COM-Express-Designs allein vom Footprint betrachtet hin zu COM-HPC-Client zu migrieren. Da COM Express Compact der am weitesten verbreitete COM-Express-Formfaktor ist und in der Regel nur noch das High-End derzeit noch den größeren Formfaktor COM Express Basic nutzt, standen viele Entwickler vor nicht unerheblichen Herausforderungen – allein was die Dimensionierung der Systemauslegung betrifft. Kleiner geht aber immer. Deshalb ist COM-HPC Mini mit seinen 95 mm x 60 mm vor allem für die vielen Systemdesigns in besonders kompakter Bauart ein echter Befreiungsschlag, der vollkommen neue Perspektiven eröffnet.
Beim Pincount stehen mit 400 Pins zwar 40 Pins weniger als bei COM Express Type 6 zur Verfügung. Dennoch profitieren Entwickler von signifikanten Bandbreitengewinnen und größerer Schnittstellenvielfalt durch neuere und leistungsfähigere Standards. Dadurch relativiert sich auch der nominelle Rückgang der PCIe-Lanes von 24 bei COM Express Type 6 auf 16 Lanes bei COM-HPC Mini. Dieses Interfacepaket haben die meisten Systemdesigns mit besonders kompakter Bauart ohnehin so gut wie nie ausgeschöpft. Mit PCIe bis zu Gen5 und voraussichtlich auch PCIe Gen 6, 4 x USB 4.0, 2 x 10 Gbit/s Ethernet, das über 2 x SERDES Lanes auf 4 Ports erweitert werden kann und bis zu 4 Display Interfaces überzeugt die COM-HPC-Mini-Spezifikation durch alles, was heute State-of-the-Art ist. Hinzu kommen weitere aktuelle Peripherieschnittstellen, darunter 2 x MIPI-CSI für Kameras, aber auch industrielle Klassiker wie Canbus und 2 x UART. Auch der Support für funktionale Sicherheit ist als neues Feature hinzugekommen. Damit sind zukünftig extrem kompakte Applikationen wie autonome mobile Roboter und Fahrzeuge erreichbar, die sicherheitskritische Echtzeit-Aufgaben neben anderen Tasks auf einem System konsolidieren sollen.
Langfristig besser
Viele high-performance Applikationsentwickler werden zudem die neu gewonnene Design-Sicherheit zu schätzen wissen, da der COM-HPC-Konnektor für deutlich höheren Datendurchsatz spezifiziert ist. Zwar wurde mit der Ende 2022 gelaunchten COM-Express-3.1-Spezifikation auch der Support von PCIe 4.0 mit bis zu 16-Gbit/s ein Upgradepfad geschaffen. Doch das Ende der Fahnenstange weiterer Leistungssteigerungen ist in Sicht: Beim aktuellen Launch der 13. Intel Core Prozessorgeneration zeigt sich, dass die Schere beginnt auseinander zu gehen, da COM-HPC einfach mehr bietet. Hier unterstützen einige Varianten bereits PCIe 5.0, was schlussendlich einen doppelt so hohen Datendurchsatz ermöglicht. Entwickler müssen deshalb aber nicht nervös werden, wenn sie mit den Bandbreiten von COM Express noch leben können, denn diesen erfolgreichen Computer-on-Module-Standard wird es noch über viele weitere Jahre hinweg geben. Sichergestellt wird dies auch durch den ungebremsten Support der Embedded-Vendor und sorgfältige Upgrades innerhalb des technisch Umsetzbaren. Das ist insbesondere für kostensensitive und/oder low-power Designs eine gute Nachricht, für die COM-HPC überdimensioniert ist. Wer aber sein High-Performance-Design nach neusten Technologiegesichtspunkten wie beispielsweise Thunderbolt 4 von der Konnektivätsfunktion her ausrichten will, kann nun auch bestehende kompakte Designs migrieren. Thunderbolt-4-Ports setzen in Maximalausstattung über ein einziges USB-C-Kabel Stromversorgung, bidirektionale Datenübertragung bis hin zu USB 3.2 Gen 2 sowie 4k-Videoanzeigen und 10-Gbit-Ethernet um. Hierfür ist jedoch eine Bandbreite von bis zu 40 Gbit/s bereitzustellen, was mit dem COM-Express-Konnektor auch in der 3.1-Spezifikation nicht umsetzbar ist.
Mit der 13. Generation Intel-Core-Prozessoren durchstarten
Zahlreiche Faktoren sprechen also für den neuen COM-HPC-Standard. Der Launch der Intel Core Prozessoren der 13. Generation wirkt dabei wie ein Beschleuniger für die Einführung solcher neuen Systemplattformen. Congatec erwartet einen schnellen und massiven Anstieg der Serienproduktion von OEM-Designs auf Basis dieser neuen Module, da die neuen langzeitverfügbaren Prozessoren bei vielen Features enorme Verbesserungen bieten und dennoch vollständig hardwarekompatibel zu ihren Vorgängern sind, was die Implementierung sehr schnell und einfach macht. Die Module nach dem neuen COM-HPC Standard eröffnen Entwicklern dabei mit Thunderbolt und überlegenem PCIe Support bis zu Gen5 neue Horizonte in Bezug auf Datendurchsatz, I/O-Bandbreite und Performance. Die neuen COM-Express-3.1-konformen Module hingegen sichern vor allem Investitionen in bestehende OEM-Designs über viele weitere Jahre – inklusive Upgrade-Optionen hin zu mehr Datendurchsatz durch PCIe-Gen4-Support.
Im Vergleich zu den Intel Core Prozessoren der 12. Generation bieten die neuen COM-HPC- und COM-Express-Computer-on-Modules mit gelöteten Intel Core Prozessoren der 13. Generation zum Ersten den Vorteil, dass sie die innovative Intel-Hybrid-Architektur nun erstmals auch robusten Designs im industriellen Temperaturbereich von -40 °C bis +85 °C zur Verfügung stellen. Zum Zweiten bieten sie bis zu 8 % mehr Single-Thread- und bis zu 5 % mehr Multithread-Performance. Dieser Performancezuwachs geht aufgrund des verbesserten Fertigungsprozesses auch einher mit einer höheren Energieeffizienz. Ebenfalls neu in dieser Leistungsklasse (15 bis 45 W Base Power) sind der Support von DDR5-Speicher und PCIe Gen5-Konnektivität bei ausgewählten CPU-Versionen. Beides trägt zu einer noch besseren Multithread-Performance und einem höheren Datendurchsatz bei. Mit bis zu 96 Execution Units (EU) und ultraschnellen Kodier- und Dekodierfähigkeiten ist die integrierte Intel-Iris-Xe-Grafikarchitektur ideal bei hohen Grafikanforderungen – beispielsweise in Applikationen mit Videostreaming und/oder videodatenbasierter Situationserkennung. All diese Features führen zu signifikanten Verbesserungen bei einer Vielzahl nahezu aller Embedded- und Edge- Computing-Applikationen, die zunehmend auch künstlicher Intelligenz- und Machine-Learning-Funktionen sowie Workload-Konsolidierung implementieren.
COM-HPC Mini ist extrem robust
Stellt man sich diese Prozessoren nun auch auf COM-HPC Mini vor und sieht zudem noch Features wie gelöteten RAM und den Support des industriellen Temperaturbereich, erkennt man, wie universell diese Module in High-Performance-Systemlösungen einsetzbar sein werden, die mit COM Express nicht erreichbar sind. Bleibt nur noch die Frage übrig: Wie aufwendig ist es, Systeme von COM Express hin zu COM-HPC zu migrieren? Im Grunde ist nur das Carrierboard betroffen, das von seinen Abmessungen und Interface-Platzierungen jedoch gleichbleiben kann. Sicherlich sind Routing und Bauelemente an die neue Performance anzupassen und es ist nun mal eben kein einfacher Austausch des Moduls möglich. Es steht hardwareseitig aber eben ‚nur‘ die Adaption bestehender Design Praxis an die neuen Anforderungen schnellerer Schnittstellen an. Hierzu ist vor allem das High-Speed-Signaling eine Herausforderung.
Zusätzliche Services und Trainings vereinfachen das Design-in
Hier greifen Hersteller wie Congatec Kunden mit einer eigenen Schulungs-Akademie unter die Arme, die Carrier-Board-Design-Trainingsprogramme anbietet, um Entwicklern Best-Practice-Wissen für das Design-In zu vermitteln. Ziel ist es, Systemarchitekten einen schnellen, einfachen und effizienten Einblick in die Designregeln des neuen PICMG-Standards zu geben. Die Schulungskurse führen Entwickler beispielsweise durch alle obligatorischen und empfohlenen Designgrundlagen und Best-Practice-Schaltpläne für Computer-on-Modules und versetzen sie in die Lage, ihre eigenen Carrier-Board-Designprojekte zu starten. Der Wissenstransfer konzentriert sich auf standardkonforme Carrier-Board-Designs, die für den Aufbau interoperabler, skalierbarer und langlebiger kundenspezifischer Embedded-Computing-Plattformen unerlässlich sind. Die Akademie wird weltweit operieren, Online- und Vor-Ort-Kurse anbieten und richtet sich an Entwickler bei OEMs, VARs und Systemintegratoren.
Offizielle Design-Guides sind zwar eine großartige Ressource, aber letztlich sind sie nur eine Anforderungsspezifikation. Die Entwickler müssen auch lernen, wie sie diese Grundlagen in der Praxis am besten umsetzen können. Das Congatec Schulungsprogramm wurde mit dem Ziel konzipiert, den Wissenstransfer zu beschleunigen, der erforderlich ist, um solche Entwicklungsprojekte in der realen Welt zu starten. Mit dem Trainingsprogramm für Carrierboard-Designs, das ab April 2023 startet, erhalten Ingenieure einen Einstieg in die Welt des High-End Embedded und Edge Computing – von PCB-Layouter-Prinzipien über Power-Management-Regeln und Signalintegritätsanforderungen bis hin zur Bauteilauswahl. Kunden die zwar COM-HPC einsetzen wollen, aber selbst nicht über die Ressourcen zur Integration der Module verfügen, bietet der Congatec-Design-In Service zudem auch die Möglichkeit, dies zu übernehmen. Carrierboard-Designs, optimierte Kühllösungen und auch noch weitreichendere Systemintegrationsservices sind möglich. (ge)
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