Ladda ner artikeln här (länk, pdf). Fler tekniska rapporter finns på etn.se/expert

Congatec och dess konkurrenter arbetar för att få Picmg att certifiera den. HPC står för ”high performance computing” och den adresserar ett tillämpningsområde som kommer att bli mycket stort efter 5G-utbyggnaden: bredbandig datakommunikation i realtid. Den som gillar de tidigare Com-standarderna behöver dock inte oroa sig – övergångar tar alltid tid, så ETX/XTX och Com Express kommer att finnas på marknaden under många år framöver.

Att använda datormoduler (Computer-on-Modules, Com) har etablerat sig som en av de viktigaste konstruktionsprinciperna för inbyggda datorsystem. IHS Markit spår att Com-moduler år 2020 kommer att stå för cirka 38 procent av den totala försäljningen av inbyggnadskort, -moduler och -system.

De första modulerna dök upp i början av 1990-talet, då Hans Mühlbauer – på den tiden ägare av tyska Jumptec och idag fortfarande aktiv inom Congatec AG – introducerade modulformatet Modul AT, baserat på AT/ISA96-bussen. De första AT-modulerna byggdes kring Intel 80C88-cpuer på 9,54 MHz och hade 640 kbyte DRAM.

Idén var att anpassa skrivbords-PC-hårdvara till industriell användning – något inbyggnadsvärlden inte sett tidigare. På den tiden existerade industriella datorer mest i form av 19-tums racksystem. En industriellt anpassad dator på ett kort som mätte 100 × 160 mm var ett helt okänt i koncept.

Modulerna var ett sätt att komma undan att ha alla funktioner på samma kort. Det fungerade som en sorts buffert mot den snabba processorutvecklingen där nya cpu:er från Intel och AMD avlöste varandra en gång i halvåret. Eftersom det inte gick att veta hur länge gamla cpu:er skulle finnas kvar användes datormoduler som ett sätt att säkerställa långsiktig tillgänglighet.

Ett annat motiv var att minska I/O-kortens komplexitet. I/O kräver som regel betydligt färre lager, vilket sänker kostnaden för mönsterkortskonstruktion. I slutänden önskar kunden alltid den senaste processorn – lika sant då som nu – vilket enkelt kan uppfyllas med hjälp av moduler.

I november 2001 möttes Jumptec och ­Advantech för att grunda ETX Industrial ­Group (ETX-IG) som belv den som introducerade den första öppna, tillverkaroberoende modulstandarden. Inom några månader anslöt sig merparten av de viktigaste ETX-företagen, allteftersom de insåg den stora fördelen med en öppen standard.

När PCI Express-bussen bredde ut sig och nya processorer och krets­paket övergav ISA, krävdes ett nytt ­koncept. Det presenterades år 2004 och ­spikades i juli året därefter: Com Express.

Den här gången gick introduktionen jämförelsevis lättare, om än ej helt smärtfritt – det fanns några fronter med skyttegravar och utvecklingen bromsades en del av fördröjningstaktik inom Picmg. Från den första presentationen av konceptet i samarbete med Intel hösten 2003 tog standardiseringen bara 18 månader.

I dag, 14 år efter att Picmg lanserade Com Express, är Com-marknaden den dominerande undermarknaden för inbyggnadsdatorer och alla större aktörer har ett brett utbud av Com Express-moduler. Samtidigt finns fortfarande Com-moduler i de äldre ETX- och XTX-formfaktorerna, vilket betyder att deras cykel ännu inte avslutats. Det dröjde många år, fram till 2012 närmare bestämt, innan Com Express gick förbi ETX/XTX i volym.

Mottot ”ändra aldrig ett vinnande koncept” är populärt även på inbyggnadsdatormarknaden.

Idag är Com Express ensam standard för bärarkort i prestandaklasser mellan mid- och high-end. Ingen konkurrent syns till. Standarden har förresten genomgått ett antal anspråkslösa revisioner fram till den aktuella version 3.0, som publicerades i maj 2017. Den ganska färska specifikationen Typ 7 ger Com Express en framtida roll i edge-servrar, och den används till och med som grund för Vita-specifikationer, för extrema tillämpningar.

Alternativa modulstandarder som Qseven och SMARC 2.0 – som båda stödjer Arm-baserade processorer – har bara etablerat sig inom segmenten låg effekt och liten formfaktor.

Den nya Com-HPC-modulstandarden, för högprestandasystem, lärde sig från det förflutna och överlät sig till Picmg från allra första början för att så långt som möjligt undvika modulkrig. Det finns inget bättre ekosystem för denna tredje generationens modulstandard än ett tillverkaroberoende konsortium.

Sedan oktober 2018 har en Picmg-arbets­grupp under Congatecs Christian Eders ordförandeskap arbetat med att specificera Com-HPC. Behovet av en ny datormodul är akut eftersom Com Express kortkontakter inte klarar frekvenser och datatakter i kommande IoT/5G-enheter. Den stora drivmotorn är just nu Congatec AG, ett företaget som grundades 2005 som ett rent modulföretag för att undvika att konkurrera mot sina egna kunder med systemlösningar. Congatec är också idégeneratorn bakom Qseven och SMARC 2.0.

Precis som vid övergången från ETX till Com Express är det nya bussar som visat vägen till en ny standard. Com-HPC blir en datormodulsstandard för bredbandsberäkningar över bredbandsinternet. Den klarar den nya högfrekvenssignaleringen i PCI Express Gen 3 till 5.

Com-HPC bör dock inte ses som en ersättare för Com Express, lika lite som Com Express ersatte ETX. Som tidigare nämnts finns även ETX/XTX-moduler fortfarande tillgängliga och kunder kan fortsätta arbeta efter samma designprinciper de använt i 20 år. Com-HPC är ett bevis på att de grund­läggande koncept som var giltiga på den tiden fortfarande är aktuella. Att konstruera in nya processorer blir bara mer och mer komplext, varför det blir alltmer meningsfullt att koppla isär I/O och processormodul genom att använda tillämpningsspecifika bärarkort.

Den nya Com-HPC-standarden handlar inte bara om nya kontaktdon; det finns gamla Com Express-funktioner som inte längre behövs och måste kastas överbord. Det beror på att den nya standarden riktar in sig på tillämpningar med krav långt över Com Express topprestanda. Det övergripande målet är dock att kunna erbjuda OEM:er Picmgs stora ekosystem och goda rykte och fördelarna med det, varför en tyngdpunkt har lagts vid att göra migrationen enkel.

Av dessa skäl kommer det att finnas två mer eller mindre helt nya prestandaklasser ovanför Com Express-specifikationerna Typ 7 och Typ 6. Den ena har en inriktning mot edge-servrar med krav på en mångfald av kommunikationsgränssnitt snarare än integrerad kraftfull grafik. Den andra klassen representerar en utvidgning i prestanda med optioner som Com Express inte kan möta, inklusive grafik. Bland mycket annat ingår stöd för USB 3.2 i 20 Gbit/s, USB 4.0 i 40 Gbit/s, PCIe Gen4/5 x2/x4 med re-timer, 100 och 200 Gbit/s Ethernet och NVMe.

Kontaktdonet är en väsentlig del av specifikationen. Com Express stödde PCIe Gen 3.0 upp till 5,0 GHz och 8 Gbit/s. Det nya kontaktdonet stöder över 32 Gbit/s – tillräckligt för PCIe Gen 5.0. Dessutom finns upp till 64 PCIe-banor till bärarkortet – på dem kan man ansluta en hel del GPGPU:er, för maskininlärning till exempel. Com Express stöder som jämförelse högst 32 banor.

Com Express är begränsad till 10 Gb Ethernet per signalpar, vilket nu ökar till minst 25 Gb Ethernet per signalpar, och därmed möjliggör stöd för 100 Gb Ethernet. Nya processorgenerationer för edge computing kommer att kräva mer utrymme för DIMM-platser. Planen är att upp till 8 DIMM-platser och 800 stift till bärarkortet, där Com Express bara har 440 stift.

Det är inte så lätt att utveckla en standard som en del kanske tror. Bara det att signalfrekvensen ökas innebär enorma komplikationer. För att ge lite perspektiv så har Congatec och Samtec samarbetat i drygt två år kring krav och test på kontaktdon för 300 wattsmoduler, något som Picmg upprättade en arbetsgrupp så sent som i oktober 2018. Mycket markarbete har alltså redan gjorts, vilket senare kunnat påskynda beslutsprocessen i själva arbetsgruppen.

Förmodligen håller hela branschen just nu i hemlighet andan för att Com-HPC inte ska drabbas av samma öde som Com Express gjorde och blockeras i Picmg. Det är avgörande att inget företag går i förväg, så alla avstår diskret från annonseringar.

Bakom kulisserna jobbar samtidigt utvecklingsavdelningarna med att utvärdera sina första konstruktioner på kommande processorer, som halvledartillverkare som Intel gett dem förhandsaccess till. De första Com-HPC modulerna från Congatec kommer antagligen att dyka upp tidigt 2020 tillsammans med nästa generation inbyggnadsprocessorer. Det ger tillverkarna ungefär lika mycket tid som de hade för Com Express, så det kommer nog att gå bra.