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COM-HPC标准将为嵌入式系统带来全新视野
正面迎战工业4.0高速运算需求

【作者: 籃貫銘】2020年10月06日 星期二

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有一个趋势,是所有产业所共同肯定的,那就是运算的性能需求将会越来越大,同时装置的体积则会越来越小,而且单一装置就要能完全绝大多数的事,无论在任何领域都是,即便是工业应用也是如此。


在这个再明显不过的共识推动下,COM-HPC的标准於是应声出台。COM-HPC其实是「High-Performance Computer-on-Modules」的缩写,顾名思义,是一个具备高性能运算校能的模组化电脑,是能把超级电脑带进各种嵌入式设计之中的技术。而毫无疑问的,它也将对於各式次世代智慧系统与装置带来极大的助益。


康隹特科技(congatec AG)是一家德国的工业电脑模组供应商,它同时也是PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)的成员。而这个组织则是促成COM-HPC标准能够商用的重要推手,COM-HPC能够落实到产业应用中,康特隹可以说是其中一个关键的角色。


《智动化杂志》特别专访了康隹特亚太区业务经理Becky Lin,请她与我们分享一下COM-HPC标准究竟将带来什麽影响?主要的应用领域又会是哪些?


增强TDP性能 瞄准次世代边缘运算设备

Becky Lin表示,COM-HPC主要是针对下一代网路的边缘运算设备所设计。为了应对这个崭新的市场,COM-HPC改进了远端管理功能,并提供了相当的边缘运算性能水准以及优异的热设计功耗(TDP)范围,这是迄今在标准嵌入式模组前所未见的。更高阶的伺服器模组(Server-on-Modules)将能够处理高达300瓦的整体TDP。目前市场上性能最高的模组也只能支持100瓦。


TDP的显着提高,意味着执行任务的能力也大大提高,COM-HPC在许多方面都提高了性能,包含支援最新的高速介面:PCIe Gen 4.0和5.0、USB 4.0、25 GbE。此外,它也为即将到来的高性能处理器的内建记忆体和I/O数量提供了更多的空间,因为它有五个不同的封装,且带有两个不同的针脚,用於模组和专用载板之间的连接。


这两个针脚排列中的第一个是COM-HPC伺服端,它提供多达65个PCIe通道以满足最高等级的运算、储存和周边设备的需求,以及具备8个25 Gb乙太网路;第二个针脚是COM-HPC用户端,它透过将PCIe减少到49通道,并将网络介面减少到2x 25 GbE和2x BaseT,增加了对传统PC设计的绘图与音讯的支持。



图一 :   COM-HPC的规格示意。
图一 : COM-HPC的规格示意。

COM-HPC的另一个产业首创,是该模组不仅限於传统的x86架构,而且还可以用於FPGA、ASIC、GPU和ARM处理器。


Becky Lin指出,这些变更意味着OEM业者的受益将是最大。她强调,「这是有史以来第一次。」以前只有大型伺服器主机版或者昂贵的订制主板设计才能解决这些问题,现在透过COM-HPC标准都能达成,除了简单且经济高效的升级外,主要的优势包括更高的设计安全性、最小的NRE实现了更高的现有设计重用性(reusability)。


充分理解伺服端与用户端差异 辨识更多应用可能

至於COM-HPC的主要应用面向,Becky Lin认为,必须要先充分理解COM-HPC伺服端模组和COM-HPC用户端模组的差异。她表示,COM-HPC伺服模组是为根植於网路和通信基础设施中的边缘伺服器应用所设计的,例如用於工业4.0的冗馀雾伺服器和通信基础设施中的边缘伺服器。


另一个用途是在单个边缘伺服器上合并多个任务,例如使用多个机器人控制制造单元。相同的方法也能应用於智慧能源网路的任务,以实时协调微电网和虚拟能源网路中的能源产生和消耗。


在视觉应用方面,COM-HPC将用於医疗後端和工业检查系统,或边缘视讯监控解决方案以提高公共安全性。它与自动驾驶汽车一样,必须处理大量平行运作的视讯和图像数据;在触觉宽频物联网(Tactile Broadband Internet)的5G户外微型基地台的天线杆上,或运营商级边缘伺服器,可以找到更多用例。另一个应用领域是强大的边缘伺服器设计,这些设计基於具有虚拟化并支持NFV和SDN的开放式运算的电信级边缘叁考架构(OCCERA)。


至於COM-HPC用户端,则会将目前COM设计的使用模型提高到新的性能水平。它将用现行的所有应用中,而这些应用是需要远高於目前所能取得运算资源所能提供。或者需要PCIe Gen 4.0或更高版本的汇流排,以实现极快的数据交换,例如在单个系统上整合HMI、实时控制、IoT闸道功能和预测维护功能的机器控制系统。进一步的应用,包括可携式超音波等医疗设备,以及自动机器人和车辆等。


COM-HPC大大简化AI系统设计

尽管人工智慧技术的兴起,更多的软硬体技术被加入到嵌入式系统之中,但COM-HPC却能简化这类AI系统的设计。


Becky Lin表示,COM-HPC将大大简化AI系统的设计,原因有以下数项:首先,设计人员可以利用预先验证的超级组件来进行开发,该组件已经整合了处理器、RAM、高速USB控制器和乙太网,甚至绘图功能也提供了。除了这个COTS平台外,OEM厂商只需为其解决方案的特定应用布局设计专用载板。为此,COM-HPC也提供设计指南,使OEM可以在成熟可靠的设计原则基础上开发OEM板。而且可将COM-HPC模组与其他运算引擎(如FPGA,ARM处理器和GPU)整合在一起,因此OEM可以从一致性的设计方法中受益。


在软体方面,COM-HPC供应商将提供相关硬体所需的软体和BSP,进一步简化设计。最重要的是,扩展的可维护性功能,将简化边缘设备的设计。


对於采用COM-HPC的挑战,Becky Lin认为,主要的关键问题在於它是否会被广泛接受。但她也指出,借助COM Express标准,他们正设法建立一个在高阶领域没有竞争的规范,并希??能够透过COM-HPC能重复这一成功。再加上市场需求是庞大的,且这个新规范从一开始就得到PICMG组织的支持。


Becky Lin强调,COM-HPC小组委员会中,聚集了全球一流的嵌入式供应商。目前,我们有27位成员,不仅包括嵌入式板卡和模组供应商,还包括处理器供应商,如英特尔,以及其他的连接器业者。而聚集了这些来自全球的广泛支持,能够为客户带来安全性,以及对产品长期使用的信任感。


至於导入COM-HPC的高速介面所导致的设计复杂度增加的问题。确实会是一个挑战,但所有高速高性能设计都面临着讯号一致性和热点的挑战,而且采用完全客制化的设计也很难应对这一挑战。但有了COM-HPC标准,将拥有出色的规格,因此更容易满足合??标准要求的挑战。



图二 :   COM-HPC的伺服模组与用户模组的尺寸示意。
图二 : COM-HPC的伺服模组与用户模组的尺寸示意。

快速与全面的服务是关键 康特隹从设计培训着手

Becky Lin表示,有高度热忱的在地团队的支援,是引导OEM业者快速从规格需求跨入量产的关键。而这就是康特隹(congatec)所能提供的服务,运用简化技术的门槛,来让客户快速进入量产。但是由於设计复杂性的增加,OEM需要更多的支援。因此,康特隹将进一步扩展服务范围,以帮助客户在最短的时间内构建出一流的解决方案,以获得关键的竞争优势。


且康特隹会从全面的培训课程开始,以对设计工程师进行深入培训,并帮助他们最有效地掌握陡峭的学习曲线。此外,我们还为各自的载板提供了最隹实践设计原理图,并能在设备完善的实验室中进行内部测试和服务。根据客户的要求,甚至可以提供载板设计或执行模组和载板的整合,以进行真正的量产。


总结来说,就是「服务、服务、服务」,这是应对COM-HPC解决方案时可能遇到的挑战的最隹对策。这还包括了从板卡硬体相关的软体支援,例如基板套件、韧体客制化、以及即时的虚拟监控系统的支援。这对康特隹来说都是非常容易,因为我们产品的首要目标就是尽可能简化这个新标准在OEM设计中的使用。



图三 :   康隹特亚太区业务经理Becky Lin。(Source:康特隹)
图三 : 康隹特亚太区业务经理Becky Lin。(Source:康特隹)
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