了解模块化系统设计的 COM-HPC 标准
嵌入式计算行业即将推出 COM-HPC 作为模块化系统设计的下一代标准。由于 COM-HPC 很复杂，有时会被误解，因此需要明确的信息。
有些人将 PCI 工业计算机制造商组织 (PICMG) COM-HPC 标准视为解决全新应用程序的全新平台。必须在恶劣环境中管理大量工作负载的嵌入式边缘服务器阵营是这么认为的。第二个阵营是现有的 COM Express 用户。他们对服务器模块不太感兴趣，而是更关心新 COM-HPC 标准的客户端模块。他们对 COM-HPC 持怀疑态度。他们希望保护现有的 COM Express 投资，并自问：COM Express 将可用多长时间，我现在是否必须切换到 COM-HPC？我的客户有什么优势？对于他们来说，最重要的是了解 COM-HPC 客户端模块提供哪些好处以及它们与 COM Express 有何不同。因此，COM-HPC 解决了两个不同的目标群体，每个群体都有不同的需求。那么这两个新的子规范有什么潜力，它们有何不同？
嵌入式服务器的开放标准平台
高性能
计算机模块标准的简短历史
开放且独立于制造商的计算机模块标准确保应用程序具有数十年的生命周期。原始设备制造商今天仍然可以购买新的 ETX 模块，尽管这种外形完全基于传统总线。由于向后兼容，基于 PCIe 的标准将持续更长时间。
COM-HPC 服务器是第一个真正开放的标准，用于开发适用于恶劣环境的模块化嵌入式机架服务器和盒式服务器设计。在当今的经典服务器世界中，应用就绪处理器模块仍然很少被利用，尽管这种方法提供了许多优势。例如，它可以很容易地实现特定的尺寸和 I/O 要求：开发人员只需要设计合适的特定应用的载板；处理器、RAM、高速接口等复杂的核心部件可通过标准化模块采购。
由于载板设计比全定制设计需要更少的工作量，因此这种方法也可以有效地应用于较小的产品系列，在这些产品系列之前，标准产品通常是不令人满意但不可避免的妥协。更重要的是，模块化概念还显着降低了性能升级的成本。与完全更换 1U 或 3U 机架系统相比，模块化服务器设计可以将升级成本降低约 50%，因为只更换了模块。因此，这种方法提高了投资的可持续性以及解决方案的长期可用性和投资回报率，因为它们可以使用更长时间。
一种标准中的更多计算单元
除了模块化概念的一般优势之外，COM-HPC 服务器还提供了一些以前在这种形式的模块中不可用的技术改进。例如，COM-HPC 标准不限于 x86 处理器，而是明确规定可以使用 RISC 处理器、FPGA 和通用图形处理单元 (GPGPU)。在 Embedded World 期间的 PICMG 展台上展示了具有此类替代计算单元的首批样品。
因此，第一次在单一官方规范和标准化生态系统中开发和实施具有广泛计算和加速器单元的异构服务器设计成为可能。为此，新规范还首次支持模块的从模式。原始设备制造商不仅可以从简化和更高效的设计中受益，还可以更有效地重复利用他们的专业知识。
更多空间以获得更多性能
COM-HPC 服务器模块旨在为边缘和雾服务器应用程序提供高性能计算能力，这是半导体制造商预计将很快推出的新型嵌入式边缘服务器处理器。 COM-HPC 服务器模块 300 瓦的最大指定功率预算表明了预期的性能，至少在中期是这样。作为比较：当今最强大的 COM Express Type 7 Server-on-Module 允许最大功率为 100 瓦。将此扩展，考虑到预测的性能飞跃，很容易看到 COM-HPC 将来能够覆盖巨大的服务器负载。
除了这种高性能潜力之外，模块为处理器或替代计算单元提供多少空间也很重要。当查看英特尔和 AMD 当前具有 16 个或更多内核的高性能 CPU 或功能强大的 FPGA（手掌大小）时，这一点就变得很清楚。对于它们，COM-HPC 服务器提供 200 毫米 x 160 毫米（尺寸 E）或 160 毫米 x 160 毫米（尺寸 D）的模块占用空间，如图 1 所示。这些相对较大的占用空间还简化了散热，为更大的空间提供了空间可以更有效地分配热量的散热器。
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图 1：COM-HPC 服务器指定了两种不同的占用空间：大小 E 具有最多 8 个 DIMM 插槽的空间，用于当前 1 TB 的 RAM，而大小 D 占用空间减少 20%，用于 4 个 DIMM 插槽。虽然 COM-HPC 服务器和客户端使用相同的 2x 400 针连接器，但它们彼此之间的距离不同。这可以防止因意外安装错误类型的模块而造成损坏（来源：congatec）。
更高的内存性能
由于占用空间大，COM-HPC 服务器模块还提供更高的内存性能。它们有足够的空间容纳全 DIMM 内存模块，可满足微型、边缘和雾服务器的高内存带宽和尺寸要求。在大小 E 占用空间中，它们最多可容纳 8 个 DIMM 插槽，目前可容纳高达 1.0 TB 的内存。在尺寸 D 的占用空间中，它们最多可容纳 4 个 DIMM 插槽，目前可提供高达 512 GB 的内存。
更高的 I/O 性能
对于载板连接，COM-HPC 服务器为 PCI Express Gen 4.0 和 Gen 5.0 定义了 8 个 25 GbE，以及 65 个 PCIe 通道（图 2）。其中一个通道保留用于与载板上的可选板管理控制器 (BMC) 通信，而其余 64 个 PCIe 通道可用于连接外围设备。
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图 2：COM-HPC 服务器模块的主要特性：大量的高速接口、出色的网络带宽和无外设的服务器性能（来源：congatec）。
因此，COM-HPC 服务器提供了极其广泛和强大的连接性，例如连接额外的计算加速器，如 GPGPU、FPGAS 和 ASICS（例如以匹配的 COM-HPC 模块的形式）或基于 NVMe 的存储介质。总之，COM-HPC 服务器设计受益于通过 PCIe 实现的高达 256 GB/s 的 I/O 性能。可以通过 Thunderbolt 3.0 版本上的两个 USB 4.0 接口再增加 2x 40 Gigabit/s，以及通过两个指定的 USB 3.2 接口增加 2x 20 Gigabit/s。四个额外的 USB 2.0 接口完善了 COM-HPC 服务器模块上的 USB 产品。除了 2x 原生 SATA，它们还支持 eSPI、2xSPI、SMB、2x I2C、2xUART 和 12 个 GPIO，以集成简单的外设和标准通信接口，例如用于服务目的。额外的 10 Gb 以太网端口提供专用通信通道，可用于远程和带外管理。
优化的服务器级主板管理
COM-HPC 引入的另一个行业首创是专用的系统管理接口。该接口目前正在 PICMG 远程管理小组委员会中开发。目的是使智能平台管理界面 (IPMI) 中指定的部分功能集可用于远程边缘服务器模块管理。与从机功能类似，COM-HPC 因此也会为远程管理提供扩展的通信功能。由于此功能，OEM 和用户将能够确保可靠性、可用性、可维护性和安全性 (RAMS)，这是服务器的一组常见要求。对于个性化需求，该功能可以通过载板上可选的板卡管理控制器进行扩展。这为 OEM 提供了一个统一的远程管理基础，可以根据特定要求进行调整。
COM-HPC 客户端——更大、更快、更多
虽然 COM-HPC 服务器规范专注于全新的嵌入式边缘服务器设计，但当然也有“经典”高性能嵌入式系统，这些系统迄今为止一直在利用 COM Express Type 6。 OEM 厂商想知道 COM-HPC 是否会使他们现有的 COM Express 设计过时，何时是切换到 COM-HPC 的最佳时机，以及 COM-HPC 对他们和他们的客户有什么优势。要回答这些问题，重要的是要详细了解 COM-HPC 客户端模块提供哪些功能，并将它们与 COM Express 功能进行比较。
三种尺寸
在许多方面，这两个标准的相似之处多于不同之处。与 COM Express 一样，COM-HPC 客户端指定了三种模块尺寸：120 毫米 x 160 毫米（尺寸 C）、120 毫米 x 120 毫米（尺寸 B）和 120 毫米 x 95 毫米（尺寸 A）。这意味着最小的 COM-HPC 客户端占用空间几乎与 COM Express Basic 相同，尺寸为 125 毫米 x 95 毫米。仅此一项就表明 COM-HPC 客户端位于 COM Express 之上，解决了 COM Express 无法访问的应用程序。 （图3）。
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图 3：COM Express 和 COM-HPC 客户端都定义了三种不同的封装。然而，由于最小的 COM-HPC Size A 几乎与 COM Express Basic 相同，因此很明显 COM-HPC 位于 COM Express 之上（来源：congatec）。
更强大
这也反映在支持的 200 瓦功率预算上，大约是当今最强大的 COM Express Type 6 模块的三倍。就内存而言，COM-HPC Client 和 COM Express 都使用 SODIMMS 或焊接内存，COM-HPC 可以容纳更多内存，最多 4 个 SODIMM 插槽。但是，由于 COM Express 今天已经能够支持 96 GBytes，因此它也可以满足高内存要求。
更多更快的接口
从布局的角度来看，COM Express 和 COM-HPC 模块之间最重要的区别在于连接器，以及将模块连接到特定应用载板的信号引脚数量，如图 4 所示。
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图 4：COM-HPC Client 和 COM Express Type 6 接口的区别主要在于 PCIe 通道的数量和带宽、以太网接口和 USB 端口，以及仍有待指定的扩展远程管理支持（来源：康佳特）。
COM-HPC 采用专为最新高速接口设计的新连接器，并且已经指定用于 PCIe 5.0 和 25 Gb/s 的高时钟速率。 COM Express 在兼容模式下支持 PCIe Gen 3.0 和 PCIe 4.0。但当然，具有 PCIe Gen 4.0 的嵌入式处理器必须首先可用。与 COM Express 一样，COM-HPC 支持两个连接器，但每个连接器有 400 个引脚。因此，COM-HPC 总共有 800 个信号引脚，其引脚数几乎是具有 440 个引脚的 COM Express Type 6 模块的两倍。不用说，这也为更多接口提供了空间。
COM-HPC 客户端模块将这些用于连接到载板的 49 个 PCIe 通道，其中之一再次用于与载板的 BMC 通信。这是 COM Express Type 6 提供的最多 24 条通道的两倍。模块上还直接提供了两个 25 GbE KR 以太网和最多两个 10 Gb BaseT 接口。 COM Express Type 6 支持 1x 1 GbE，可选择通过载板实现更多网络接口。
4x 图形
两种标准的图形支持是相同的；同时，这也是这些模块与 headless COM Express Server-on-Modules 和 COM-HPC Server 模块的区别。这两种标准都通过三个数字显示接口 (DDI) 和 1 个嵌入式 DisplayPort (eDP) 支持多达四个显示器。在多媒体接口方面，COM-HPC 使用 SoundWire 代替为 COM Express 指定的 HDA 接口。 SoundWire 是一种新的 MIPI 标准，只需要两条通道：时钟和数据，时钟速率高达 12.288 MHz。这两条通道最多可以并联 4 个音频编解码器，每个编解码器接收自己的 ID 以进行分析。
更多 USB 带宽加上 MIPI-CSI
在支持的 USB 标准方面也面向未来，COM-HPC 指定了四个 USB 4.0 接口，辅以 4 个 USB 2.0。虽然这意味着 COM-HPC 客户端模块提供的 USB 端口比 COM Express Type 6 模块少四个，后者执行高达 4x USB 3.1 和 8x USB 2.0，但这可以通过更多带宽来补偿，因为 USB 4.0 设计用于传输速率高达到 40 Gbit/s。 COM-HPC 客户端模块的另一个吸引人的特点是它们提供了两个 MIPI-CSI 接口，从而实现了用于情景感知和协作机器人的经济高效的摄像头连接。
COM-HPC Client 进一步提供 2x SATA 接口，用于连接当今几乎是传统设备的传统 SSD 和 HDD，以及 2x UART 和 12x GPIO 等工业接口。 2x I2C、SPI 和 eSPI 完善了功能集。所有这些功能都可与 COM Express Type 6 模块相媲美，与 COM-HPC 相比，COM-HPC 通过连接器提供可选的 CAN 总线作为独特功能。
从这些差异来看，采用基于 COM Express 的设计的 OEM 可以放心，COM Express 将在未来很多年为他们提供良好的服务。这也是因为 COM-HPC 没有引入新的系统总线——与从 ISA 到 PCI 以及从 PCI 到 PCI Express 的切换不同。还值得记住的是，COM Express 模块直到 2012 年才取代 ETX 成为最畅销的模块——这是 ETX 推出后的 11 年。 ETX 模块今天仍在销售。由于 PCIe 代与其前代产品向后兼容，因此即使在所有处理器级别都引入 PCIe Gen 4.0 之后，采用 PCIe Gen 3.0 的设计仍将继续使用。所以，只要给定的接口规范足够了，就完全没有必要改变。
但是，如果您需要超过 32 个 PCIe 通道，或者您需要全带宽的 PCIe 4.0、USB 4.0 多个 25 Gbit/s 以太网和/或高级远程管理功能，则值得进行转换。否则坚持“永远不要改变正在运行的系统”的座右铭。
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