MicroTCA kan mer än telekom

De funktioner för övervakning och redundans, snabb kommunikation och enkel service som utvecklats inom ramen för MicroTCA-standarden tilltalar allt fler, även i andra tillämpningar än telekom. Det skriver Johan Nordin på Recab.

Nu när MicroTCA-speciﬁkationen har varit fastlagd i över ett och ett halvt år, och antalet leverantörer och produkter som stöder denna standard ökar stadigt, så ser vi att marknaden för dess användande kommer att sträcka sig långt utanför telekomsektorn. MicroTCA-standarden tar med sig mycket av det goda från telekomsidan och kombinerar det med intressanta teknologier för andra marknadssegment, allt till ett konkurrenskraftigt pris.

I denna artikel ger vi en bild av hur tekniken bakom MicroTCA ser ut och vad som gör den extra intressant.

Hela MicroTCA-standarden är uppbyggd kring en annan standard, nämligen AMC, Advanced Mezzanine Cards. AMC-modulerna togs fram för att vara en dotterkortstandard till AdvancedTCA, vilket är en standard primärt ämnad för telekomtillämpningar.

Checklista

Om du har ett eller flera av följande behov eller krav kan MicroTCA vara något för dig:

1) Har du behov av att kunna övervaka statusen i systemet? Hur mår systemet, fungerar fläktarna, är det dags att byta ﬁlter har du svikt på någon av spänningarna håller något kort på att överhettas – det är svar du kan få från den inbyggda övervakningsfunktionaliteten som ﬁnns i MicroTCA och som kan läsas av direkt på systemet eller på distans från någon driftcentral.

2) Har du behov av ett system som lätt kan servas på plats? Alla moduler i ett MicroTCA system kan bytas utan att skruva isär systemet, detta inkluderar även nätaggregat och fläktar.

3) Har du behov av snabba interna kommunikationsvägar? 10GB Ethernet, PCI express Gen II och Serial Rapid IO är alla deﬁnierade för MicroTCA-bakplanet

4) Har du behov av ett flexibelt system? Börja med ett litet system och bygg ut vid behov. En liten rack med 4 kortplatser kan växa till ett redundant system med 4 PSU, 2 MCH och 12 AMC moduler. Nästa steg blir att bygga ut med flera rackar till ett kluster.

5) Har du behov av ”Hot Swap”? Standarden bygger på att alla moduler kan bytas under drift från framsidan av systemet.

6) Har du behov av redundans? Redundans kan byggas med hjälp av dubbla enheter i en rack, men också med redundanta rackar där övervakningen sker via respektive MCH som står i kontakt med en system manager.

AMC-modulerna försågs med många intressanta teknologier som gör dem ytterst lämpade för att använda i många andra applikationer än inom telekom. Modulerna är försedda med möjlighet till ett antal höghastighetskommunikationsgränssnitt som PCIe, 10 Gbit Ethernet och SRIO mot sin bärare, korten är möjliga att byta i fält och de har en inbyggd struktur för kontroll, övervakning och rapport av status och hälsotillstånd.

Runt dessa AMC-moduler speciﬁcerade man en infrastruktur som möjliggör att låta dem kommunicera över ett bakplan mellan varandra och därigenom bygga upp ett system av endast AMC-moduler utan att behöva något intelligent bärarkort.
Det som behövde tillföras för att få denna infrastruktur att fungera förutom bakplanet var en switch för den seriella bakplanstraﬁken samt en systemkontroller med uppgift att sammanställa och distribuera AMC-modulernas kontrollinformation, samt sammanställa och distribuera kontrollinformation till de övriga intelligenta enheterna i systemet som fläktkontroller och nätaggregat. Switchen och systemkontrollern slås ihop i en enhet som benäms MCH, Micro Controller Hub.

AMC-modulerna, MCH, bakplan, fläktkontroller och nätaggregat utgör de fem huvudbyggbitarna som behövs för att bygga ett MicroTCA-system. De förtjänar en kort genomgång var och en:

AMC-modulen. En AMC-modul kan ha enkel (75 mm ) eller dubbel bredd , frontpanelen kan vara av tre olika höjder: kompakt (3HE), mellan (4HE) och full (6HE). Utbudet av AMC-moduler liksom de övriga delarna som behövs för att bygga ett MicroTCA-system är idag mycket stort med över 300 olika typer av AMC-moduler – allt från CPU-kort via DSP-moduler, FPGA-moduler, lagringskort, graﬁkkort, höghastighetskommunikation till alla upptänkliga typer av I/O-funktionalitet.

MCH. MCH:n kan man säga är spindeln i MicroTCA-nätet. På MCH:n ﬁnns följande: IPMI kontroller (se förklaring nedan), switchar för Gbit Ethernet, och tillval för PCI Express (Gen1 eller Gen2), 10 GBit Ethernet eller Serial Rapid IO och klockdistribution för PCI Express och telekomapplikationer. Inget i systemet fungerar utan att MCH:n är inblandad – det är den som håller kontroll på vilka moduler som ﬁnns i systemet och om de är tillåtna att starta upp när systemet slås på.

Bakplan. Ett MicroTCA-bakplan innehåller bara seriebussar, så gränssnitten mot de olika modulerna och bakplanet är deﬁnierat som 20 olika seriekanaler eller portar. Dessa är uppdelade i fyra huvudblock:
•    Gemensamma tillval (options).
Här ﬁnns 2 stycken 1 Gbit Ethernet och 2 stycken SATA alternativt SAS.
•    Fat Pipe. Här har man möjlighet att välja ett av tre tillval; PCI Express 1x4 (Gen1 eller Gen2), 10 Gbit Ethernet eller Serial Rapid IO.
•    Extended Fat Pipe. Finns med samma valmöjligheter som i Fat Pipe men är främst till för redundanta system och då fungerar inte PCI Express som alternativ.
•    Extended Options. Ett antal serieportar som är öppna för systembyggaren för att implementera andra saker.

Huvudtanken är att de olika seriekanalerna skall gå till MCH:n och bli switchade där. Men det ﬁnns även möjlighet att åstadkomma AMC-till-AMC-kommunikation vilket framförallt är vanligt för SATA/SAS-gränssnittet.

Fläktkontroller. Per speciﬁkation skall ett MicroTCA-system innehålla en intelligent fläktkontroller som övervakar funktionen hos fläktarna och systemets temperatur, för att kunna hålla kontroll på att systemet alltid har en fullgod fläktfunktionalitet.

Nätaggregat. Precis som fläktkontrollern är nätaggregaten i ett MicroTCA system intelligenta och håller kontroll på sin funktionalitet. De har dock även möjlighet att slå på och av spänningen till var och en av samtliga ingående komponenter i systemet separat – detta för att kunna isolera en komponent som inte fungerar som den skall och därmed förhindra att denna sänker hela systemet.

IPMI, Intelligent Platform Management Interface. IPMI är ett gränssnitt för övervakning av alla delar i ett rack, de så kallade FRU, Field Replaceble Units. Det sker fysiskt via I2C-bussar i bakplanet. MCH:n har kontroll över alla enheter, och kontrollerar via PSU matningsspänningen till varje enhet, exempelvis fläktar och diskar, men startar även alla AMC-moduler individuellt efter att en effektbudget har gjorts. När en ny AMC sticks in i en kortplats (slot) så får den 3,3 V matning som behövs för att den interna IPMI-delen skall starta och rapportera in den nya modulens konﬁguration, effektbehov, pin-konﬁguration med mera. När och om MCH:n accepterar denna modul så slås sedan 12V på, och modulen kan boota.

Systemkonﬁguration. System kan byggas mycket skalbara, från enkla system med bara ett par moduler i till kompletta kluster av fullt redundanta MicroTCA-system i ett skåp. Tjusningen med konceptet är att oavsett om man bygger ett litet system eller ett stort komplext så ﬁnns tillgång till några basbyggbitar.
Alla moduler innehåller managementfunktionalitet som rapporterar sin status, vilket kan vara väldigt användbart för att kunna planera service och underhåll, vilket påverkar produktens kostnad över livstiden. En annan ﬁness på samma tema är att alla moduler är utbytbara från fronten utan att skruva isär systemet, vilket radikalt ökar servicebarheten.

Kontentan är att MicroTCA är ett väldigt flexibelt systemkoncept med hög servicebarhet och hög intern prestanda om så behövs. Skalbarheten i konceptet gör att man kan bygga ganska kostnadseffektiva lösningar utan att göra avkall på basfinesserna. Kunder som är intresserade av MicroTCA idag har tidigare ofta använt någon typ av bakplansbaserat system som VME eller Compact PCI, eller så kommer de från en industri-PC lösning och vill ha en bättre servicebarhet.
Intresset idag är långt ifrån begränsat till telekomkunder. Vi ser applikationer inom medicin, industriautomation, militär, fordon med mera. Variationen av applikationer ökar hela tiden i takt med att fler systemkomponenter kommer fram och produkterna nu har gått i volym.