Serie Modulare Computersysteme, Teil 4/4 Bewährtes aktualisiert: CompactPCI Serial

Mit CompactPCI Serial soll die Erfolgsgeschichte von CompactPCI fortgesetzt werden. Benutzerspezifische I/Os sorgen für hohe Flexibilität und Hybridlösungen ermöglichen einen effizienten Übergang.

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CompactPCI (PICMG 2.0) ist der am weitesten verbreitete Standard für modulare Computersysteme, leidet aber bei aktuellen Anwendungen unter der begrenzten Bandbreite des PCI-Busses und der verwendeten Steckverbinder. Seit 2009 unterstützt CompactPCI PlusIO (PICMG 2.30) als Brücken- und Übergangstechnologie sowohl den klassischen CompactPCI Bus (in seiner 32-Bit-Version) als auch mit dem neu eingeführten Ultra Hard Metric (UHM) Steckverbinder-Datenraten von bis zu 5 GBit/s je differentiellem Verbindungspaar. Seit 2011 sind mit CompactPCI Serial (PICMG CPCI-S.0) und dem hochgeschwindigkeitstauglichen „AirMax“-Steckverbinder sogar Datenübertragungsraten von bis zu 12 GBit/s je differentiellem Verbindungspaar möglich.

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Damit können aktuelle Protokolle der dritten Generation (PCI Express, SATA, USB) problemlos unterstützt werden. Beide Standards sind – ebenso wie CompactPCI – in den bewährten Europakarten-Formfaktoren in 3U und 6U Höhe definiert, die Module dafür werden bis heute jedoch fast ausschließlich in 3U angeboten. Bei CompactPCI Serial wird besonderer Wert auf eine hohe Anzahl an frei definierbaren, anwendungsspezifischen I/O Signalen gelegt. Bei 3U sind dies bereits bis zu 112 differentielle Paare; bei 6U kann darüber hinaus noch zusätzlich ein kompletter anwenderspezifischer I/O-Stecker definiert werden.

CompactPCI-Serial-Systeme können ohne Switch betrieben werden und unterstützen direkt Konfigurationen mit einem Systemslot (Master) und bis zu acht Peripherieslots (Slave). Dabei können die Peripherieslots wahlweise mit I/O- oder Prozessorkarten betrieben werden und das maximale Leistungsbudget je Slot beträgt 60 W bei 3U- und 120 W bei 6U-Systemen. Die Stromversorgung basiert auf +12 V mit 5 V als Backup-Spannung.

Einfacher Betrieb ohne Switch

Plattform-Management und Keying sind bisher nicht vorgesehen, Hot Swap ist optional möglich. Durch die Nutzung der von CompactPCI bekannten Formfaktoren und die robusten High-Speed-Stecker sind auch mechanisch unempfindlichere (rugged) Systeme möglich und es können alle bekannten Verfahren zur Kühlung (Luft-, Konduktions- und Flüssigkeitskühlung) genutzt werden. Als standardisierte Topologien sind Full Mesh (nur Ethernet) und Single Star (PCI Express, SATA, und USB) realisierbar. So können einerseits Systeme realisiert werden, die Peripherien an eine CPU anbinden, andererseits auch mehrere Single Board Computer (SBCs) miteinander vernetzt werden.

Bild 1 zeigt das Blockschaltbild eines CompactPCI Serial Systems in maximaler Ausbaustufe mit acht Peripherieslots. Gut zu erkennen (grau gezeichnet) ist der üppige Bereich für anwenderdefinierbare Signale (Front-to-Rear I/O). Werden diese nicht benötigt, so können hier durch Teilbestückung von Backplane- und Kartensteckverbindern Kosten gespart werden. Als Besonderheit von CompactPCI Serial ist der System Master über (standardisierte) Backplane-Verbindungen direkt mit allen Peripherieslots verbunden, eine Sternstruktur (Single Star) ermöglicht somit direkte Kommunikation über PCI Express Lanes (x4, x8) und auch über SATA, USB2.0 und USB3.0.

Beispiel 1 (Bild 2) zeigt eine typische Topologie mit einem Master und bis zu acht Peripheriemodulen, die in einer Single Star-Struktur mit den jeweiligen Interfaces angebunden sind. So werden hier für die beiden Grafikkarten (GPUs) jeweils PCI Express Double Fat Pipes (x8) genutzt; USB Interface und Disk Carrier werden kostengünstig jeweils direkt über USB- und SATA-Verbindungen angebunden. Alle anderen Peripheriekarten kommunizieren jeweils über PCI Express Fat Pipes (x4) mit dem Master.

Was bringt die Zukunft?

Beispiel 2 (Bild 3) zeigt die direkte Vernetzung von neun Single Board Computern per Full Mesh Ethernet. Um für solche Datenraten bis zu 8 GBit/s (PCI Express Gen3 Protokoll) stets die benötigte Signalintegrität sicherzustellen, benötigt man zur Realisierung von High Speed-Backplanes einen auf diesem Gebiet erfahrenen Lösungspartner mit allen dafür notwendigen Kompetenzen von Simulation, über Layout und Bestückung bis hin zur Messung.

Wie schon erwähnt ist CompactPCI PlusIO (Bild 4) ein Übergangsstandard, bei dem im 3U-Formfaktor der herkömmliche 32-Bit-CompactPCI-(Parallel)Bus und zusätzlich bis zu vier CompactPCI-Serial-Peripheriekarten unterstützt werden, clever umgesetzt als Hybrid-Backplane. Die Bandbreite ist hier jedoch begrenzt, da der spezielle CompactPCI PlusIO Master bei der seriellen Kommunikation mit den CompactPCI-Serial-Peripheriekarten jeweils nur eine einzelne PCI Express Lane (Ultra Thin Pipe, x1) zur Verfügung stellen kann. Auch hat der Master insgesamt nur zwei GBit-Ethernet Interfaces und es werden auch nur Gen1- und Gen2-Protokolle mit bis zu 5 GBit/s unterstützt.

Komplexe und weltweit agierende Rechnersysteme erfordern umfangreiche Möglichkeiten für Fernwartung und intelligentes Systemmanagement. Dies hat man auch bei der PICMG erkannt und eine Arbeitsgruppe ins Leben gerufen, die unter Federführung von ELMA ein IPMI-basierendes Chassismanagement als Erweiterung für CompactPCI Serial entwickelt.

* Aksel Saltuklar ist CTO und Leiter R&D;

* Toma Lenga ist Produktmanager Backplanes und Leiter Entwicklung Backplanes, beide bei ELMA Electronic, Pforzheim.

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