Game-Changer COM-HPC Mini Jetzt geht’s los: High-Performance in Mini

Anbieter zum Thema

GLYN Switzerland

Oriental Motor Switzerland AG

congatec GmbH

congatec wird auf der Embedded World seine ersten Module präsentieren, 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.

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 und 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 immer hochauflösendere 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 Konnektivitätsfunktion 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 müssten.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 7 Bildern

Designsprints 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 × 120 mm (11,400 mm²) ist dieser bislang kleinste Footprint des COM-HPC-Standards noch immer fast knapp 32% grösser als COM Express Compact, der 95 × 95 mm (9,025 mm²) 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 × 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 (440) 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× USB 4.0, 2× 10 Gbit/s Ethernet, das über 2× 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× MIPI-CSI für Kameras, aber auch industrielle «Klassiker» wie CAN bus und 2× 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.

Neuer ist langfristig besser

Viele neue High-Performance-Applikationsentwickler werden zudem die neu gewonnene Design-Sicherheit zu schätzen wissen, da der COM-HPC-Konnektor für deutlich höheren Datendurchsatz spezifiziert ist als COM Express. 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 auseinanderzugehen, da COM-HPC einfach mehr bietet. Hier unterstützen einige Varianten bereits PCIe 5.0, was 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 erfolgreichsten 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 Konnektivitätsfunktion 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 Performancedichte. 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 (15–45 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 neuen Prozessoren nun auch auf COM-HPC Mini vor und sieht zudem noch Features wie gelöteten RAM und den Support des industriellen Temperaturbereichs, erkennt man, wie universell diese neuen 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 gleich bleiben 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 Schulungsakademie 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 neuen congatec-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. Mit diesem umfassenden Angebot an Produkten und Services baut congatec das Versprechen «we simplify the use of embedded technology» weiter aus.

Mit diesem umfassenden Angebot von Modulen, Kühllösungen und fertigen Evaluation- und Application-Carrierboards über Design-­in-Trainings bis hin zu kompletten Design-in-­Services gestaltet congatec ein umfassendes COM-HPC-Ökosystem, in dem Neudesigns und Designsprints zur Migration von COM Express zu COM-HPC Mini keine grosse Herausforderung mehr sind.

(ID:49084826)