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COM-HPC標準將為嵌入式系統帶來全新視野
正面迎戰工業4.0高速運算需求

【作者: 籃貫銘】   2020年10月06日 星期二

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有一個趨勢,是所有產業所共同肯定的,那就是運算的性能需求將會越來越大,同時裝置的體積則會越來越小,而且單一裝置就要能完全絕大多數的事,無論在任何領域都是,即便是工業應用也是如此。


在這個再明顯不過的共識推動下,COM-HPC的標準於是應聲出檯。COM-HPC其實是「High-Performance Computer-on-Modules」的縮寫,顧名思義,是一個具備高性能運算校能的模組化電腦,是能把超級電腦帶進各種嵌入式設計之中的技術。而毫無疑問的,它也將對於各式次世代智慧系統與裝置帶來極大的助益。


康佳特科技(congatec AG)是一家德國的工業電腦模組供應商,它同時也是PICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)的成員。而這個組織則是促成COM-HPC標準能夠商用的重要推手,COM-HPC能夠落實到產業應用中,康特佳可以說是其中一個關鍵的角色。


《智動化雜誌》特別專訪了康佳特亞太區業務經理Becky Lin,請她與我們分享一下COM-HPC標準究竟將帶來什麼影響?主要的應用領域又會是哪些?


增強TDP性能 瞄準次世代邊緣運算設備

Becky Lin表示,COM-HPC主要是針對下一代網路的邊緣運算設備所設計。為了應對這個嶄新的市場,COM-HPC改進了遠端管理功能,並提供了相當的邊緣運算性能水準以及優異的熱設計功耗(TDP)範圍,這是迄今在標準嵌入式模組前所未見的。更高階的伺服器模組(Server-on-Modules)將能夠處理高達300瓦的整體TDP。目前市場上性能最高的模組也只能支持100瓦。


TDP的顯著提高,意味著執行任務的能力也大大提高,COM-HPC在許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,它也為即將到來的高性能處理器的內建記憶體和I/O數量提供了更多的空間,因為它有五個不同的封裝,且帶有兩個不同的針腳,用於模組和專用載板之間的連接。


這兩個針腳排列中的第一個是COM-HPC伺服端,它提供多達65個PCIe通道以滿足最高等級的運算、儲存和周邊設備的需求,以及具備8個25 Gb乙太網路;第二個針腳是COM-HPC用戶端,它透過將PCIe減少到49通道,並將網絡介面減少到2x 25 GbE和2x BaseT,增加了對傳統PC設計的繪圖與音訊的支持。



圖一 :   COM-HPC的規格示意。
圖一 : COM-HPC的規格示意。

COM-HPC的另一個產業首創,是該模組不僅限於傳統的x86架構,而且還可以用於FPGA、ASIC、GPU和ARM處理器。


Becky Lin指出,這些變更意味著OEM業者的受益將是最大。她強調,「這是有史以來第一次。」以前只有大型伺服器主機版或者昂貴的訂製主板設計才能解決這些問題,現在透過COM-HPC標準都能達成,除了簡單且經濟高效的升級外,主要的優勢包括更高的設計安全性、最小的NRE實現了更高的現有設計重用性(reusability)。


充分理解伺服端與用戶端差異 辨識更多應用可能

至於COM-HPC的主要應用面向,Becky Lin認為,必須要先充分理解COM-HPC伺服端模組和COM-HPC用戶端模組的差異。她表示,COM-HPC伺服模組是為根植於網路和通信基礎設施中的邊緣伺服器應用所設計的,例如用於工業4.0的冗餘霧伺服器和通信基礎設施中的邊緣伺服器。


另一個用途是在單個邊緣伺服器上合併多個任務,例如使用多個機器人控制製造單元。相同的方法也能應用於智慧能源網路的任務,以實時協調微電網和虛擬能源網路中的能源產生和消耗。


在視覺應用方面,COM-HPC將用於醫療後端和工業檢查系統,或邊緣視訊監控解決方案以提高公共安全性。它與自動駕駛汽車一樣,必須處理大量平行運作的視訊和圖像數據;在觸覺寬頻物聯網(Tactile Broadband Internet)的5G戶外微型基地台的天線桿上,或運營商級邊緣伺服器,可以找到更多用例。另一個應用領域是強大的邊緣伺服器設計,這些設計基於具有虛擬化並支持NFV和SDN的開放式運算的電信級邊緣參考架構(OCCERA)。


至於COM-HPC用戶端,則會將目前COM設計的使用模型提高到新的性能水平。它將用現行的所有應用中,而這些應用是需要遠高於目前所能取得運算資源所能提供。或者需要PCIe Gen 4.0或更高版本的匯流排,以實現極快的數據交換,例如在單個系統上整合HMI、實時控制、IoT閘道功能和預測維護功能的機器控制系統。進一步的應用,包括可攜式超音波等醫療設備,以及自動機器人和車輛等。


COM-HPC大大簡化AI系統設計

儘管人工智慧技術的興起,更多的軟硬體技術被加入到嵌入式系統之中,但COM-HPC卻能簡化這類AI系統的設計。


Becky Lin表示,COM-HPC將大大簡化AI系統的設計,原因有以下數項:首先,設計人員可以利用預先驗證的超級組件來進行開發,該組件已經整合了處理器、RAM、高速USB控制器和乙太網,甚至繪圖功能也提供了。除了這個COTS平台外,OEM廠商只需為其解決方案的特定應用佈局設計專用載板。為此,COM-HPC也提供設計指南,使OEM可以在成熟可靠的設計原則基礎上開發OEM板。而且可將COM-HPC模組與其他運算引擎(如FPGA,ARM處理器和GPU)整合在一起,因此OEM可以從一致性的設計方法中受益。


在軟體方面,COM-HPC供應商將提供相關硬體所需的軟體和BSP,進一步簡化設計。最重要的是,擴展的可維護性功能,將簡化邊緣設備的設計。


對於採用COM-HPC的挑戰,Becky Lin認為,主要的關鍵問題在於它是否會被廣泛接受。但她也指出,借助COM Express標準,他們正設法建立一個在高階領域沒有競爭的規範,並希望能夠透過COM-HPC能重複這一成功。再加上市場需求是龐大的,且這個新規範從一開始就得到PICMG組織的支持。


Becky Lin強調,COM-HPC小組委員會中,聚集了全球一流的嵌入式供應商。目前,我們有27位成員,不僅包括嵌入式板卡和模組供應商,還包括處理器供應商,如英特爾,以及其他的連接器業者。而聚集了這些來自全球的廣泛支持,能夠為客戶帶來安全性,以及對產品長期使用的信任感。


至於導入COM-HPC的高速介面所導致的設計複雜度增加的問題。確實會是一個挑戰,但所有高速高性能設計都面臨著訊號一致性和熱點的挑戰,而且採用完全客製化的設計也很難應對這一挑戰。但有了COM-HPC標準,將擁有出色的規格,因此更容易滿足合乎標準要求的挑戰。



圖二 :   COM-HPC的伺服模組與用戶模組的尺寸示意。
圖二 : COM-HPC的伺服模組與用戶模組的尺寸示意。

快速與全面的服務是關鍵 康特佳從設計培訓著手

Becky Lin表示,有高度熱忱的在地團隊的支援,是引導OEM業者快速從規格需求跨入量產的關鍵。而這就是康特佳(congatec)所能提供的服務,運用簡化技術的門檻,來讓客戶快速進入量產。但是由於設計複雜性的增加,OEM需要更多的支援。因此,康特佳將進一步擴展服務範圍,以幫助客戶在最短的時間內構建出一流的解決方案,以獲得關鍵的競爭優勢。


且康特佳會從全面的培訓課程開始,以對設計工程師進行深入培訓,並幫助他們最有效地掌握陡峭的學習曲線。此外,我們還為各自的載板提供了最佳實踐設計原理圖,並能在設備完善的實驗室中進行內部測試和服務。根據客戶的要求,甚至可以提供載板設計或執行模組和載板的整合,以進行真正的量產。


總結來說,就是「服務、服務、服務」,這是應對COM-HPC解決方案時可能遇到的挑戰的最佳對策。這還包括了從板卡硬體相關的軟體支援,例如基板套件、韌體客製化、以及即時的虛擬監控系統的支援。這對康特佳來說都是非常容易,因為我們產品的首要目標就是盡可能簡化這個新標準在OEM設計中的使用。



圖三 :   康佳特亞太區業務經理Becky Lin。(Source:康特佳)
圖三 : 康佳特亞太區業務經理Becky Lin。(Source:康特佳)
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