Embedded-Standard COM-HPC 1.2 Wie COM-HPC 1.2 Embedded-Edge-Systeme beschleunigt

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Die jüngste Revision 1.2 des offenen COM-HPC-Standards der PICMG stellt den neuen Mini-Formfaktor vor. Dieser misst nur 70 mm x 95 mm und verringert somit sowohl die Größe als auch das Gewicht, ohne Abstriche bei der Leistung zu machen.

COM-HPC wurde entwickelt, um den steigenden Bandbreitenanforderungen für die Ausführung von KI-Workloads in leistungsstarken IoT-Clients und Embedded-Edge-Servern gerecht zu werden. Der neue Formfaktor COM-HPC Mini eignet sich dank seiner kompakten Größe und seines geringen Gewichts besonders für mobile Systeme dieser Art. Beispiele sind autonome mobile Roboter, Drohnen, mobile Test- und Messgeräte sowie kleine Box-PCs für platzbeschränkte Automatisierungsschränke, Netzwerkinfrastrukturen und POS-/POI-Systeme.

Übersicht über COM-HPC 1.2

Es gibt gute Gründe für die Migration zu COM-HPC Mini, da dieser Formfaktor einfach mehr Leistung bietet. Mit schneller Umstellung ist zu rechnen, denn der Mini-Standard lässt sich in kompakten Geräten einsetzen, wo frühere COM-Versionen platzmäßig nicht umsetzbar waren. Zudem profitieren nun weitere Produktkategorien von den Features von COM-HPC, wie zum Beispiel Thunderbolt und PCIe bis hin zu Gen 6.

Der Mini-Formfaktor wurde in der im Jahr 2023 verabschiedeten Revision COM-HPC 1.2 eingeführt. Zum Vergleich: COM-HPC Client definiert die Größen 95 mm x 120 mm, 120 mm x 120 mm und 120 mm x 160 mm. COM Express Basic misst 120 mm x 95 mm, die Compact-Version 95 mm x 95 mm.

Der Embedded-Markt zeichnet sich durch enge Platzverhältnisse aus und mittlerweile benötigen selbst kleine Geräte enorme Bandbreite für künstliche Intelligenz (KI) und Situationsbewusstsein. Mit ihrem Footprint von 95 mm x 70 mm passen COM-HPC-Mini-Module in jedes für COM Express Basic oder Compact konzipierte Design. Dies ermöglicht einen einfachen Migrationspfad von diesen Standards zu COM-HPC Mini.

Durch die kompaktere Baugröße reduziert sich die Anzahl der benötigten Steckverbinder von zwei bei COM-HPC Client auf einen. Dieser einzelne Verbinder im COM-HPC Mini hat zwar ebenfalls 400 Pins, aber eine andere Pin-Belegung als die Client-Version. Dennoch bietet er Entwicklern ein enorm umfangreiches Schnittstellenangebot für die Übertragung von Hochgeschwindigkeitssignalen vom Prozessormodul zu den Carrierboards. Dieser einzelne Steckverbinder mit hohem Pincount und hoher Bandbreite unterstützt neuere, zunehmend populäre Schnittstellen wie PCIe Gen 6, USB4, DisplayPort 2.0 und 25G Ethernet.

Die COM-HPC-Mini-Spezifikation bringt auch mechanische Vorteile. Die Bauhöhe von Carrierboard zu Heat-Spreaders beträgt von Oberseite zu Oberseite maximal 15 mm – 5 mm weniger als bei COM-HPC Client. Durch die Verwendung gelöteter Speicher wird die Schock- und Vibrationsfestigkeit erhöht. Das ermöglicht robustere Designs sowie eine direkte thermische Kopplung mit der Systemkühlung.

Auf den ersten Blick mag COM-HPC Mini anderen Mini-Formfaktoren ebenbürtig erscheinen. Bei genauerem Hinsehen fällt jedoch nicht nur der höhere Pincount auf; sondern auch die höhere elektrische Leistung von COM-HPC Mini, das bis zu 107 Watt (12 Pins bei 8V und 20 Prozent Sicherheitsreserve) unterstützt. Dadurch bleiben auch wesentlich mehr Leistungsreserven als die maximal spezifizierten 9 Watt (10 Pins bei 3 V und 40 Prozent Sicherheitsreserve) bei SMARC.

Damit definiert die COM-HPC-1.2-Mini-Spezifikation das obere Ende der kompakten Computermodule neu und bietet hier eine bislang unerreichte, atemberaubende Leistungsfähigkeit.

Der Mini und die COM-HPC-Familie

Die Revision COM-HPC 1.2 definiert zwei neue Funktionen für die gesamte COM-HPC-Produktfamilie, also auch für den Mini-Formfaktor. Der bereits robuste Steckverbinder wurde für noch mehr Widerstandsfähigkeit überarbeitet. Zudem wird PCIe Gen 6 standardmäßig qualifiziert.

Beim neuen Steckverbinder sorgen seitlich angelötete Metallverstärkungen für höhere mechanische Stabilität. Die neuen Stecker sind komplett kompatibel zur bisherigen Version. Der Upgrade von Carrier Boards auf die robustere Variante benötigt lediglich eine kleine Änderung im Design – zwei zusätzliche Löcher zur Verlötung der Verstärkungen werden benötigt.

Die Qualifizierung für PCIe Gen 6 folgt in naher Zukunft mit Verfügbarkeit der entsprechenden Prozessoren. Obwohl es aktuell noch keine Prozessoren mit PCIe-Gen-6-Unterstützung gibt, lassen sich bereits Carrierboards für Gen 6 entwickeln. Dabei muss das Design jedoch für PAM4- statt PAM2-Modulation vorbereitet werden.

Es werden nicht nur die Werte 0 und 1 übertragen, sondern auch zwei Zwischenstufen – effektiv 2 statt 1 Bit pro Übertragung. Da die Frequenzen bei diesem Upgrade nicht angehoben werden, sollten sich keine neuen Herausforderungen für die Signalintegrität ergeben.

Dennoch ist sorgfältiges Design wichtig, da bei Gen 6 das Signalrauschen stärker beachtet werden muss als bei Gen 5. 100 GbE ist in vielen Anwendungen bereits Standard und diese Bandbreite muss auch zum Prozessor geleitet werden.

Mini-Anwendungen

Hersteller größerer, stationärer Systeme müssen oft zahlreiche Schnittstellen unterstützen. Das lässt sich mit den bisherigen COM-HPC-Spezifikationen leicht umsetzen. Hersteller kompakter, mobiler Geräte benötigen nicht so viele Schnittstellen – hier ist COM-HPC Mini bestens geeignet.

Gleichzeitig wächst durch Digitalisierung und indus-trielles IoT (IIoT) die Nachfrage nach COM-HPC-Modulen. In diesen Anwendungen kommt meist eine Kombination von KI, Vision-basiertem Situationsbewusstsein und steigenden Rechenanforderungen zum Tragen.

Die neuen COM-HPC-Mini-Module werden voraussichtlich schnell zum Einsatz kommen. Schließlich hat sich die Akzeptanz standardisierter Module in den letzten zehn Jahren deutlich erhöht. Als COM Express eingeführt wurde, war der COM-Markt völlig neu und Kunden mussten noch überzeugt werden. Heute ist die Akzeptanz neuer COM-HPC-1.2-Produkte dank Erfahrung mit herstellerunabhängigen Standards und PICMG-Unterstützung von Anfang an hoch. Erste OEM-Lösungen mit Intel-CPUs der 12./13. Generation und Intels Xeon D sind bereits in Produktion.

Fazit

Vor fast zwei Jahrzehnten etablierte COM Express eine Reihe von Spezifikationen für eine Modulfamilie von Clients über Server bis hin zu kompakten Mini-Embedded-Anwendungen. COM-HPC 1.2 bringt ein ähnliches Setup für Mini-, Client- und Server-Module, jedoch in einem höheren Leistungssegment und mit mehr Formfaktor-Optionen. Es ermöglicht auch die Integration weiterer Architekturen wie ARM-CPUs, GPUs, ASICs und FPGAs. Damit etabliert sich COM-HPC als der am besten skalierbare Computer-on-Module-Standard für eine breite Palette von Anwendungen – von kleinen Formfaktoren bis zu Edge-Server-Designs. Dies vereinfacht den Einstiegsprozess in alle Bereiche des Embedded- und Edge- Computing und erleichtert die Entwicklung kompletter Produktfamilien. (mk)

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