Couverture ElectroniqueS n°127

COM-HPC est la prochaine norme du PICMG pour les « computers-on-modules » hautes performances. Le brochage et les fonctionnalités de cette norme ont été récemment approuvés officiellement mais sa ratification finale, bien qu'imminente, est encore attendue. Dans cet article, le PICMG nous révèle d'autres détails sur cette future norme destinée notamment aux applications haut de gamme en périphérie de réseau (« edge »). < Le PICMG ouvre la voie aux serveurs « edge » multifonctionnels à haut débit avec le COM-HPC qui offre presque deux fois plus d'interfaces et est beaucoup plus performant que le COM Express. P révue pour le premier semestre 2020, la ratification finale par le PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) de la spécification COM-HPC ( computer-on-modules for high performance computing ) pour définir un module COM à haute performance de traitement est imminente. Cela n'a pas empêché le sous-comité du PICMG d'approuver dès novembre 2019 deux aspects clés de cette future spécification : l'empreinte physique et le brochage. L'objectif est ici de permettre aux entreprises impliquées dans la définition de la spécification COM-HPC de lancer sur le marché leurs premiers produits de ce type très peu de temps après la ratification officielle du futur standard. Les informations rendues publiques restaient jusqu'ici très rares mais congatec nous donne l'opportunité de faire partager à vos lecteurs des détails supplémentaires sur le brochage et l'encombrement de la norme COM-HPC, que de nombreux développeurs de systèmes embarqués à haut débit utiliseront certainement avec les prochaines générations de processeurs Intel et AMD pour serveurs embarqués milieu et haut de gamme. Plus de performances, plus d'interfaces IHS Markit estime que les computers-on-modules représenteront environ 38 % des ventes totales de cartes, modules et systèmes informatiques embarqués en 2020. Cela explique l'importance des changements de ce marché, qui – depuis le lancement des tout premiers computers-on-modules – a créé deux normes importantes pour l'informatique embarquée haut de gamme : ETX et son successeur COM Express. La nécessité d'une nouvelle spécification pour compléter le COM Express et tendre vers le haut de gamme s'explique par le fait que la transformation numérique a nettement augmenté la demande en ordinateurs embarqués très puissants pour assurer des performances à haut débit. En particulier, pour prendre en charge la nouvelle catégorie de serveurs de périphérie ( edge ) embarqués, l'évolutivité des solutions doit être illimitée. Avec ses 440 broches, le COM Express ne dispose pas d'assez d'interfaces pour des serveurs edge puissants. Les performances du connecteur COM Express se rapprochent également de leurs limites. Bien qu'il puisse facilement gérer une fréquence d'horloge de 8,0 GHz et un débit PCIe Gen 3 de 8 Gbit/s, il n'est pas encore certain que le connecteur puisse fonctionner avec certaines avancées technologiques telles que le PCIe Gen 4. JESSICA ISQUITH (PICMG) ET CHRISTIAN EDER (CONGATEC) Jessica Isquith est présidente du PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group), groupement d'industriels à l'origine de nombreux standards dédiés aux systèmes embarqués. Christian Eder est directeur marketing de congatec et président du sous-comité COM-HPC au PICMG. Performances des serveurs embarqués sans affichage Le besoin de performances très élevées et de connectivité étendue est primordial pour la nouvelle catégorie de serveurs edge sans affichage, qui sont de plus en plus utilisés comme systèmes distribués dans les applications industrielles prenant place en environnements hostiles et/ou sur des plages de température étendues. Pour illustrer ce besoin de hautes performances en périphérie, prenons l'exemple d'un véhicule autonome ou d'un robot collaboratif. L'un comme l'autre utilise différents capteurs, la vision et l'intelligence artificielle pour « prendre conscience » de son environnement et de la situation dans laquelle il se trouve. Et l'un comme l'autre ne peut tout simplement pas attendre qu'un algorithme soit exécuté dans le cloud lorsqu'une situation critique se présente – par exemple, lorsqu'un piéton traverse la chaussée dans le cas d'un véhicule autonome, ou qu'un opérateur entre dans le champ d'action d'un robot collaboratif –, il doit être capable de réagir instantanément. Cela nécessite des systèmes offrant une connectivité d'au moins 10 GbE (Gigabit Ethernet) ainsi que la capacité d'utiliser un grand nombre d'unités de calcul parallèles – par exemple, pour prétraiter les données des capteurs d'images ou pour exécuter des algorithmes complexes d'apprentissage profond ( deep lear-ning ). Aujourd'hui, les solutions de type GPGPU ( general-purpose computing on graphics processing unit s ou calcul générique sur processeur graphique) sont de plus en plus utilisées pour exécuter ces tâches flexibles et multifonctions. Rempla-çant souvent les FPGA et les DSP, elles ont besoin d'une connectivité haut débit vers les cœurs CPU centraux, et ce besoin augmente avec la complexité des tâches. Grâce à leurs nombreuses voies PCIe, les systèmes COM-HPC peuvent accueillir un nombre beaucoup plus important de cartes permettant d'accélérer les performances bien au-delà de ce que pourrait fournir un module COM Express. Traitement parallèle massif des données Un dispositif combinant des processeurs performants et une capacité massive de traitement parallèle des données est également nécessaire en imagerie médicale, où l'utilisation de l'intelligence artificielle se développe pour étayer le diagnostic médical sur la base des résultats existants. Les mêmes exigences de performance s'appliquent aux innombrables systèmes de vision utilisés dans les systèmes d'ins-pection industrielle et les systèmes de vidéosurveillance publique. L'ensemble des applications de l'industrie 4.0 nécessite également une connectivité plus performante, car de plus en plus de machines et de systèmes, autrefois autonomes, sont mis en réseau. Tout cela augmente la demande d'interfaces haut débit dans les systèmes embarqués pour mettre en œuvre des solutions Internet à haute performance, y compris la prise en charge par TSN ( time-sensitive networking ) du comportement tactile en temps réel. En outre, de plus en plus de charges de travail doivent être regroupées dans un seul sys-tème. Hormis le prétraitement des données dans les systèmes de vision et l'apprentis-sage profond, cela inclut les pare-feux et les systèmes de reniflage de réseaux pour la détection d'intrusions, qui doivent traiter des charges virtuellement identiques parallèlement aux applications en cours d'exécution. Cela double les besoins et nécessite l'utilisation de technologies d'hyperviseur pour les machines virtuelles capables de fonctionner en temps réel, comme l'hyperviseur RTS de Real-Time Systems. Parmi les autres applications, on peut citer les data grabbers pour les systèmes d'essai automobile et les appareils de mesure pour la 5G, ainsi que les systèmes de stockage industriels avec une mémoire NVMe rapide connectée via PCIe. La logique de périphérie pour les pylônes 5G et les lames modulaires dans les racks de serveurs industriels peuvent également bénéficier de computers-on-modules haute performance. Le COM-HPC couvrira ces exigences de performance haut débit jusqu'à 100 GbE et 32 Gbit/s PCIe Gen 4 et Gen 5, avec jusqu'à 8 emplacements DIMM et des processeurs haute performance avec une enveloppe thermique de plus de 200 watts. La nouvelle norme distingue deux variantes : les modules serveurs COM-HPC sans affichage, que l'on appelle aussi servers-on-modules , et les modules clients COMHPC, qui suivent le concept des computers-on-modules COM Express Type 6. Jusqu'à 1 téraoctet de Ram Les servers-on-modules COM-HPC seront en mesure d'héberger jusqu'à 1 téraoctet de Ram avec leurs 8 emplacements DIMM. Ils pourront faire fonctionner jusqu'à 8 voies 25 GbE et supporteront jusqu'à 64 voies PCIe Gen 4 ou Gen 5 – soit une performance d'entrée/sortie allant jusqu'à 256 Go/s. Une telle connectivité ultrarapide entre dans la catégorie des serveurs edge embarqués, les nouvelles voies PCIe offrant des taux de transfert de plus de 32 Gbit/s avec le PCIe Gen 5. Ces performances sont en effet nécessaires et peuvent être directement mises en œuvre via des interfaces hautes performances puisque des composants capables de transférer 28 Gbit/s sans retour à zéro (NRZ, non-return-to-zero ) sont déjà disponibles. En outre, jusqu'à 2 interfaces USB 4 sont prévues via les 800 broches. Basées sur Thunderbolt 3.0, ces interfaces offrent des débits jusqu'à 40 Gbit/s. Cela correspond à environ 5 Go/s, soit deux fois les performances de l'USB 3.2. Quatre interfaces USB 2.0 supplémentaires complètent les choix de ports USB sur les modules de serveur COM-HPC. Outre 2 SATA natifs, la prise en charge des interfaces eSPI, 2xSPI, SMB, 2x I 2 C, 2xUART et 12 GPIO est également prévue pour intégrer des périphériques simples et des interfaces de communication standard, par exemple à des fins de service. Autre nouveauté de COM-HPC : l'interface intégrée de gestion du système. Cette interface logicielle, qui est actuellement définie par le sous-comité PICMG, vise à inclure un petit sous-ensemble de la définition complexe de l'IPMI ( intelligence platform management interface ) dans la spécification COM-HPC afin de permettre une mise en œuvre aisée de la fonctionnalité complète du serveur. Gestion des cartes de niveau serveur Grâce à cette interface, le COM-HPC offrira de véritables fonctions de serveur de périphérie qui pourront être largement étendues en intégrant des contrôleurs de gestion de cartes (BMC, board management controllers ) de classe serveur appropriés sur des cartes porteuses. Des guides de conception pertinents pour les cartes porteuses seront nécessaires pour aider les nouveaux venus à la norme à démarrer. La spécification offrira en outre la possibilité de développer des modules COM-HPC pour processeurs graphiques ou FPGA. À cette fin, la spécification définit des entrées d'horloge PCIe, de sorte que les modules COM-HPC puissent également être utilisés comme clients. Cela permet de concevoir des solutions informatiques hétérogènes flexibles et compactes sans avoir recours à des riser cards complexes – quand, traditionnellement, les cartes graphiques sont développées pour des emplacements PCIe qui sont montés à un angle de 90 degrés sur la carte mère. Elles offrent également beaucoup moins d'options de connectivité. Il en va de même pour l'alternative des cartes graphiques MXM3, car elles n'ont, elles aussi, que 314 broches. Avec le COMHPC permettant des conceptions modulaires extrêmement fines, pour le GPGPU également, il devient alors possible de concevoir des cartes à emplacements fins pour les systèmes en rack qui offrent à la fois des modules de serveur COM-HPC et des modules d'accélération basés sur les GPGPU, les FPGA ou les DSP. Des solutions adaptées aux trois variantes de modules accélérateurs sont déjà en cours de développement, de sorte que le COM-HPC n'est plus seulement une norme pour les processeurs de serveurs edge embarqués, mais peut également être utilisé pour l'extension des GPGPU, FPGA et DSP. 800 broches au lieu de 440 À côté de cette classe de serveurs edge embarqués ultra-performants, qui établit une norme entièrement nouvelle pour l'informatique embarquée robuste, la deuxième catégorie de modules clients COMHPC se positionne un peu plus discrètement au-dessus de la spécification COM Express Type 6. Comme l'encombrement réduit ne peut accueillir que quatre emplacements SO-DIMM, c'est surtout le nombre de broches qui fait la différence : ces 800 broches offrent clairement plus d'options d'interface que les 440 broches du COM Express. Mais tant que le COM Express peut également gérer le PCIe Gen 4 – ce que l'on peut supposer, au moins en ce qui concerne la compatibilité descendante –, les développeurs de systèmes COM Express n'ont pas à passer aux modules clients COM-HPC. En plus des 49 voies PCIe (le COM Express Type 6 n'en offre que 24), il existe maintenant pour la première fois deux interfaces KR 25 GbE et jusqu'à deux interfaces 10 Gb BaseT, ce qui est nettement plus que l'actuel réseau local unique GbE. Une autre caractéristique intéressante est la possibilité d'avoir jusqu'à deux interfaces MIPI-CSI ( mobile industry processor interface - camera serial inter-face ), qui permettent de connecter des caméras de façon économique pour les applications de conscience situationnelle et de robotique collaborative. De nombreux développeurs apprécieront également les interfaces USB 4.0 pratiques, polyvalentes et extrêmement performantes, proposées en plus de l'USB 2.0 4x. Il y en aura jusqu'à quatre, pour connecter une mémoire ultrarapide jusqu'à 40 Gbit/s, ou jusqu'à deux écrans 4K incluant l'alimentation et la connexion réseau 10 GbE intégrée via un seul câble USB-C. Les capacités graphiques ont également été renforcées. La prise en charge comprend désormais 3 interfaces DDI dédiées. Des conceptions spécifiques pour DisplayPort, DVI-I/VGA et DVI-I, HDMI ou convertisseurs DVI vers LVDS sont maintenant exécutées sur la carte porteuse. D'autres interfaces comprennent 2x SoundWire et I 2 S ainsi que 2x SATA, eSPI, 2x SPI, SMB, 2x I 2 C, 2x UART et 12 GPIO, complétant l'ensemble des fonctionnalités. SoundWire, qui a été ajouté comme nouvelle interface à la spécification, remplacera l'interface HDA actuellement utilisée. SoundWire est une norme MIPI qui ne nécessite que deux lignes d'horloge et de données, avec une fréquence d'horloge allant jusqu'à 12,288 MHz, pour connecter jusqu'à quatre codecs audio en parallèle. Chaque codec reçoit son propre identifiant qui est évalué. Les OEM qui ont une relation commerciale avec l'une des entreprises concernées par la nouvelle spécification peuvent déjà commencer à concevoir des cartes porteuses appropriées, à condition qu'elles soient soumises à des accords de non-divulgation et que les OEM ne les partagent pas avec des tiers. La nouvelle spécification ne sera disponible en tant que standard ouvert qu'après la publication officielle. Les membres du sous-comité COM-HPC du PICMG comprennent Acromag, Adlink, Advantech, AMI, Amphenol, congatec, Elma Electronic, Emerson Machine Automation Solutions, ept, Fastwel, GE Automation, HEITEC, Intel, Kontron, MEN, MSC Technologies, N.A.T., nVent, Samtec, Seco, TE Connectivity, Trenz Electronic, l'université de Bielefeld et VersaLogic. Adlink, congatec et Kontron sont les sponsors du comité, tandis que le directeur marketing de congatec, Christian Eder, est le président du comité COM-HPC. Il a également joué un rôle important dans le développement du standard COM Express existant en tant que rédacteur du projet. Stefan Milnor de Kontron et Dylan Lang de Samtec assistent Christian Eder en tant que rédacteur et secrétaire du comité COM-HPC du PICMG. n Figure 4.-Diagramme de l'œil NRZ (PAM2) et PAM4 Des progrès technologiques considérables sont nécessaires pour atteindre des vitesses Ethernet élevées um telles théorique que pour 200G/400G. les LED Deux schémas de codage – pris en charge par le connecteur COM-HPC – sont possibles : « non-return-to-zero » (NRZ), également connu sous le nom de modulation d'amplitude d'impulsion à 2 niveaux (PAM2), et modulation d'amplitude d'impulsion à 4 niveaux (PAM4). En raison de la fréquence de Nyquist plus élevée de la NRZ, qui entraîne une perte plus importante en fonction du canal, la PAM4 est devenue une solution plus viable.

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