【ホワイトペーパー】COM-HPC:開発者とユーザが知っておくべきこと

ホワイトペーパー COM-HPC:開発者とユーザが知っておくべきこと

1 COM-HPC:開発者とユーザが知っておくべきこと COM-HPC:開発者とユーザが知っておくべきこと 組込みコンピューティング業界は、モジュラーシステム設計の次世代規格として、 COM-HPCを発 表しました。 COM-HPCは複雑なので誤解されることもあるため、 明解な情報が必要です。 PICMGのCOM-HPC規格を、まったく新しいアプリケーション向けの、まったく新しいプラットフォームと 見なす人もいます。 過酷な環境で大規模なワークロードを管理する必要がある、 組込みエッジサー バの業界グループでは、そう考えています。 別のグループは、既存のCOM Expressユーザです。 彼ら は新しいCOM-HPC規格のClientモジュールには関心がありますが、 Serverモジュールにはあまり関 心がなく、COM-HPCについて少し懐疑的です。 彼らは既存のCOM Expressへの投資を守りたいと考 えているため自問しています。 「 COM Expressはいつまで利用可能で、 今すぐCOM-HPCに切り替える 必要があるのか？」、「 私のカスタマにとっての利点は何か？」。 彼らにとっては、 COM-HPC Client モ ジュールが提供する利点と、それらがCOM Expressとどのように異なるかを知ることが最も重要なこ とです。 COM-HPCは、 ２つの異なったニーズに対応するよう、 2つのサブ規格があります。 それでは、そ の2つの新しいサブ規格であるServerとClientにはどのような可能性があり、どのように異なるのでし ょうか。 組込みサーバ用のオープンスタンダードプラットフォーム COM-HPC Serverは、過酷な環境向けのモジュラー組込みラックサーバやボックスサーバを開発する ための、 最初のオープンスタンダードです。今日の古典的なサーバの世界では、アプリケーションレデ ィのプロセッサモジュールが活用されることはあまりありませんが、 こ のモジュールのアプローチには多くの利点があります。 たとえば、特定 のサイズとI/Oの要件を非常に簡単に満たすことができます。 それは、 開 発者が適切なアプリケーション固有のキャリアボードを設計するだけで 済むからです。 プロセッサやRAM、 高速インタフェースなどの複雑なコ アコンポーネントは、標準化されたモジュールで購入することができま す。 キャリアボードの設計はフルカスタム設計よりも労力が少なくて済 むため、このアプローチによって、 以前は標準製品では不十分だけれど も妥協しなければならなかったような、 小規模な製品シリーズにも効率 的に適用できるようになります。 さらに、モジュラーコンセプトによって、 パフォーマンスをアップグレードするときのコストも大幅に削減すること ができます。 1Uや3Uラックシステムを丸ごと交換する場合と比較して、 モジュラーサーバでは、 モジュールのみの交換で済むため、 アップグレー ドのコストを約50％削減できます。 したがって、 このアプローチはソリュ COM-HPC Serverモジュールの主な機能：多くの高速 ーションを長期に渡って使用できるため、 投資を継続することができると インタフェース、広いネットワーク帯域幅、ヘッドレスサ ともに、 RO（I 投資利益率）も改善します。 ーバのパフォーマンス。 1つの規格でより多くの処理ユニット COM-HPC Server は、 モジュラーコンセプトの一般的な利点に加えて、 以前のモジュールでは利用で きなかったものについて、 技術的に改善されています。 たとえば、 COM-HPC規格はx86プロセッサ限 定ではなく、 RISCプロセッサ、 FPGA、 およびGPGUなどの使用についても考慮されています。 そのよ うなx86系ではないコンピュータユニットを使用した最初のサンプルは、 Embedded WorldのPICMG ブースで展示されました。 これにより、 単一の公式規格と標準化されたエコシステムを使って、 さまざ まなコンピューティングユニットやアクセラレータユニットを実装した、 ヘテロジニアスサーバの開発 が初めて可能になりました。 それらを実現するために、 新しい規格ではモジュールのスレーブモード

2 COM-HPC:開発者とユーザが知っておくべきこと も初めてサポートしました。 この規格によって、 システムが簡素化され、 より効率的に設計できるよう になっただけでなく、 ノウハウをより効果的に再利用することもできるようになりました。 さらなるパフォーマンスのためにより多くのスペース COM-HPC Serverモジュールの目的は、新しい組込みエッジサーバプロセッサを搭載して、 高性能コ ンピューティングパワーを必要とする、 エッジサーバやフォグサーバアプリケーションに使用できるよ うにすることです。 COM-HPC Server モジュールの許容最大電力は300ワットで、 これは期待されるパ フォーマンスを表しています。 比較としては、 今日、 最も強力な COM Express Type 7サーバ・オン・モジュールでは、 最大100ワ ットです。 この最大電力をもとに、 パフォーマンスの飛躍も考慮 に入れて推定すると、 COM-HPCが将来的に膨大なサーバ負荷 をカバーできるようになることは容易に推察できます。 ハイパフォーマンスの次に重要なことは、モジュールがプロ セッサや他の演算ユニットにどれだけのスペースを提供で きるかということです。これは、現在の16コア以上のIntelや AMDのハイパフォーマンスCPU、 あるいはパワフルなFPGAが 手のひらサイズであることを考えると明らかです。そのため、 COM-HPC Serverには、 200 mm x 160 mmのSize Eと、 160 mm x 160 mmのSize Dの2種類のフットプリント（形状）が COM-HPC Serverでは、2つの異なるフットプリントを定義していま す。Size Eは、最大8個のDIMMソケット用のスペースがあり、現在は1テ 用意されています。 これらの比較的大きなフットプリントは、 ラバイトのRAMに相当します。20％小さいSize Dは、4個のDIMMソケ 熱放散にも有利で、 熱をより効率的に分散できる大きなヒート ット用です。 COM-HPC ServerとClientでは2x400ピンの同じコネク タを使用しますが、それらは互いに異なる位置に配置されています。 シンク用のスペースを提供します。 これにより、誤って間違ったタイプのモジュールを取り付けて損傷す ることを防ぎます。 より多くのメモリ これらの大きなフットプリントにより、 COM-HPC Serverモジュールは、 より多くのメモリを搭載できま す。 広いメモリ帯域幅と、マイクロサーバやエッジサーバ、 フォグサーバのサイズ要件を満たす、 フル DIMMメモリモジュールのための十分なスペースがあります。Size Eのフットプリントでは、 最大8個の DIMMソケットを実装でき、 現在では最大1.0テラバイトのメモリ容量になります。 Size Dのフットプリ ントでは、 最大4つのDIMMソケットを実装でき、現在では最大512ギガバイトのメモリ容量となります。 より多くのI/O COM-HPC Serverは、 キャリアボードとの接続用に8x 25 GbE、 およびPCI Express Gen 4.0とGen 5.0 用の65のPCIeレーンを定義しています。 これらのPCIeレーンの1つは、キャリアボード上に実装される オプションのボード・マネージメント・コントローラー（BMC）との通信用に予約されており、 残りの64 のPCIeレーンはペリフェラルの接続に使用できます。 したがって、COM-HPC Serverは、 非常に帯域の 広い強力な接続性を提供します。 たとえば、 COM-HPCモジュール、 あるいは NVMeベースのストレー ジメディアの形状で、 GPGPUやFPGA、 ASICSなど追加のコンピューティングアクセラレータを接続す ることができます。 つまりCOM-HPC Serverは、 PCIeを介して最大256ギガバイト/秒のI/Oパフォーマ ンスを利用することができるのです。 さらにThunderbolt 3.0バージョンの2つのUSB 4.0インタフェー スを介して2x 40ギガビット/秒を追加することができ、 2つのUSB 3.2インタフェースを介して2x 20ギガ ビット/秒も追加することができます。 USBとしては4つのUSB 2.0インタフェースも利用することができ ます。 2xの標準のSATAに加えて、 eSPI、 2xSPI、 SMB、 2x I2C、 2xUART、 および12のGPIOもサポート しており、 保守などのためのシンプルなペリフェラルや標準の通信インタフェースをインテグレートで きます。 追加の10 Gbイーサネットポートは、 リモートやアウトオブバンド管理に使用できる、 専用の通 信チャネルを提供します。

3 COM-HPC:開発者とユーザが知っておくべきこと 最適化されたサーバグレードのボードマネージメント COM-HPCによって導入された産業界初としては、 専用のシステムマネージメントインタフェースがあ ります。 このインタフェースは現在、 PICMGリモートマネージメントサブコミッティで開発されていま す。目的は、リモートエッジサーバモジュールの管理に使用することができる、 インテリジェント・プラッ トフォーム・マネージメント・インタフェース（IPMI）の機能セットの一部にすることです。 したがって、ス レーブ機能と同様に、 COM-HPCはリモート管理用に拡張通信機能も提供します。 この機能のおかげ で、サーバの一般的な要件である信頼性、可用性、保守性、および安全性（RAMS）を確保することがで きます。 この機能は個々のニーズに応じて、 キャリアボード上に実装されるオプションのボードマネー ジメントコントローラにより拡張することができます。 これにより、 特定の要件に合うリモートマネー ジメントについて、 統一されたベースを提供します。 COM-HPC Client – より大きく、より速く、より多く COM-HPC Server 規格は、 まったく新しい組込みエッ ジサーバの設計に重点を置いていますが、もちろん、 従来からのCOM Express Type 6を利用してきた「ク ラシック」な高性能組込みシステムにも使用すること ができます。 COM-HPC の登場によって既存の COM Expressが廃れるのかどうか、 COM-HPC に切り替 えるのに最適な時期はいつなのか、 COM-HPC には どのような利点があるのかなど、 疑問に思っている 方が多いと思います。 これらの質問に答えるために は、COM-HPC Clientモジュールが提供する機能を詳 細に把握し、COM Expressの機能と比較することが重 要です。 COM ExpressとCOM-HPC Clientはどちらも3つの異なるフットプリントを定義しています。 最小のCOM-HPC Size AはCOM Express Basicとほぼ同じ大きさであるため、COM-HPCが COM Expressよりも上位であることがすぐにわかります。 3つのサイズ COM-HPC Client とCOM Expressの2つの規格では多くの点において、 相違よりも類似のほうが多く あります。 COM Expressと同様に、 COM-HPC Clientは、 3つのモジュールサイズを定義しています。 120 mm x 160 mmのSize C、 120 mm x 120 mmのSize B、 および120 mm x 95 mmのSize Aの3種 類です。 COM-HPC Clientの最小のフットプリントは、 COM Express Basic（125 mm x 95mm）とほと んど同じです。 このことによって、 COM-HPC ClientがCOM Expressの上位であり、 COM Expressでは 実現できないアプリケーションに対応していることがわかります。 もっと電力を それは、 最大電力200ワットをサポートしていることにも表れており、 今日の最も強力なCOM Express Type 6モジュールの約3倍の電力になります。 メモリに関しては、 COM-HPC ClientとCOM Expressの 両方ともSODIMMか直付けのメモリを使用しますが、 COM-HPCは最大4つのSODIMMソケットが搭 載可能で、 より多くのメモリを収容できます。 ただし、 COM Expressでは現在すでに96ギガバイトをサ ポートできるため、 高いメモリ要件も満たすことができています。 より多くのより高速なインタフェース レイアウトの観点で、 COM ExpressモジュールとCOM-HPCモジュールの最も重要な違いは、 モジュールをアプリケーション固有のキャリアボードに接続するコネクタと、 信号ピンの数です。

4 COM-HPC:開発者とユーザが知っておくべきこと COM-HPC では、 最新の高速インタフェー ス用に設計された、 PCIe 5.0や25 Gb/s の高クロックレート用に使われる新しいコ ネクタを使用します。 COM Expressでは、 PCIe Gen 3.0とPCIe 4.0のコンパチビリテ ィモードまでをサポートしています。 もちろ ん、搭載する組込みプロセッサがPCIe Gen 4.0をサポートしているという前提です。 COM Expressと同様に、COM-HPCは2つの コネクタを実装しますが、それぞれ400ピン です。 したがって、 合計800の信号ピンがあ るCOM-HPCでは、 440ピンのCOM Express Type 6モジュールに対してほぼ2倍になり ます。 言うまでもなく、 これによってさらに 多くのインタフェースを提供することができ ます。 COM-HPC ClientとCOM Express Type 6のインタフェースの違いは、主にPCIeレーンの数と帯域幅、イーサネット COM-HPC Client モジュールではこれら インタフェース、USBポートで す。 のピンを、 キャリアボードに接続する49の PCIeレーンに使用し、 そのうちの1レーン は、 キャリアボードの BMCとの通信に使われます。 COM Express Type 6が最大で24レーンなので、 これは2倍のレーンになります。 さらに、 2つの25 GbE KRイーサネットと、最大2つの10 Gb BaseTイン タフェースもモジュールから直接サポートされます。 COM Express Type 6では1x1 GbEをサポートし ており、 さらにキャリアボードを介してネットワークインタフェースを追加実装するオプションがありま す。 4x グラフィックス グラフィックのサポートについてはCOM-HPC ClientとCOM Express Type 6、 両方の規格でまったく 同じで、このグラフィックのサポートがこれらのモジュールと、 ヘッドレスのCOM Expressサーバ・オ ン・モジュールやCOM-HPC Serverモジュールとの違いになります。 どちらの規格も、 3つのデジタル ディスプレイインタフェース（DDI）と1つの embedded DisplayPor（t eDP）を介して、 最大4つのディ スプレイをサポートします。 マルチメディアインタフェースに関しては、 COM ExpressでHDAインタフェ ースに指定されていたところを、 COM-HPCでは代わりにSoundWireに使用します。 SoundWireは、 クロックとデータの2つのレーンのみを必要とする新しい MIPI規格であり、 最高のクロックレートは 12.288MHzです。 これら2本の配線で最大4つのオーディオコーデックをパラレルにサポートすること ができ、 各コーデックは分析のために独自のIDを受け取ります。 より広いUSB帯域幅とMIPI-CSI COM-HPCは、 サポートするUSB規格の観点からも将来を見据えており、 4つのUSB 4.0インタフェース と、それを補足する4x USB 2.0をサポートしています。 これは最大4x USB 3.1と8x USB 2.0をサポート するCOM Express Type 6モジュールよりも 、 COM-HPC Clientモジュールのほうが、 USBポートが4 つ少ないことを意味しますが、USB 4.0は最大の転送速度が40ギガビット/秒で設計されているため、 広い帯域幅によって補われます。 COM-HPC Clientモジュールのもう1つの魅力的な機能は、 2つの MIPI-CSIインタフェースをサポートしていることで、 状況認識や協調ロボティクスのための、 費用対効 果の高いカメラの接続を可能にすることです。 COM-HPCは、 今日ではほとんどレガシーデバイスとなったHDDや、 従来からのSSDを接続するため の2x SATAインタフェースだけでなく、 2x UARTや12x GPIOなど産業用のインタフェースも備えていま

5 COM-HPC:開発者とユーザが知っておくべきこと す。 さらに、 2x I2C、 SPI、 およびeSPIもサポートしています。 COM-HPC Clientのこれらの機能はCOM Express Type 6とほぼ同等ですが、 CANバスはType 6モジュールでのみサポートされています。 これらの違いから判断すると、 COM Expressベースの設計は、今後何年にもわたって十分なサービス が提供されるので安心です。 これは、 ISAからPCIへの変更や、 PCIからPCI Expressへの変更の場合 とは異なり、 COM-HPCが新しいシステムバスを導入しなかったためでもあります。 また、思い出して いただきたいのはCOM ExpressモジュールがベストセラーのモジュールとしてETXに取って代わるま でには、ETXリリースの11年後である2012年までかかったということです。 そしてETXモジュールは今 日でも販売されています。 PCIeの世代は前世代と下位互換性があるため、 PCIe Gen 3.0を使用した 設計は、 PCIe Gen 4.0がすべてのレベルのプロセッサに導入された後でも、 引き続き長期間使用され ることになります。 したがって、 要求されたインタフェース仕様に対応している限り、 変更する必要は まったくありません。 ただし、 32を超えるPCIeレーンが必要な場合や、 PCIe 4.0のフルの帯域幅、USB 4.0、 複数の25 Gbit/sイーサネット、 あるいは高度なリモート管理機能が必要な場合には、 切り替える価値がありま す。 それ以外の場合は、「 稼働中のシステムを変更しない」という方針に従うことです。 高性能コンピュータ・オン・モジュール規格の歴史 2001年：ETX-IG設立、メーカーに依存しない最初のモジュール規格の発表 2005年：PICMGがCOM Express 1.0規格を公開 2010年：COM Express 2.0規格リリース 2012年：COM Expressモジュールの売上高がETXの売上高を上回る 2012年：COM Express 2.1規格リリース 2018 年：PICMG COM-HPCコミッティー設立 2019年：COM-HPCピン配置リリース 2020年：COM-HPC規格リリース オープンでメーカーに依存しないコンピュータ・オン・モジュール規格により、 アプリケーションのライフサイクルは数十年になりました。 実際に ETXフォームファクタがレガ シーバスにもとづいているにもかかわらず、 今日でも新しいETXモジュールを購入することができます。 下位互換性のおかげで、PCIeをベースにした規格の寿命はさらに長く なるでしょう。 著者： クリスチャン・エダー（Christian Eder）、 congatec社マーケティングディレクター、PICMG COM-HPCサブコミッティ議長

コンガテック（congatec）について コンガテック（congatec）は、 標準フォームファクタのCOMExpress、 Qseven、 SMARCを使用した産業用コンピュータモジュー ル、およびシングル・ボード・コンピュータとカスタマイズサービスのリーディングサプライヤーです。 コンガテックの製品は、 産 業オートメーション、 医療、 エンターテインメント、 輸送、テレコミュニケーション、 試験と計測、 POSなど、さまざまな産業とア プリケーションで使用できます。 コア知識と技術的ノウハウには、 独自の拡張BIOS機能と、 包括的なドライバとボード・サポー ト・パッケージが含まれます。 設計フェーズに続いて、 お客様は長い製品ライフサイクル管理を通じてサポートを受けることが できます。 コンガテックの製品は、 最新の品質基準に従って専門のサービスプロバイダーによって製造されています。 コンガテ ックは、ドイツのデッゲンドルフに本社を置き、現在、米国、台湾、 中国、 日本、 オーストラリア、 英国、 フランス、 チェコ共和国に 事業拠点を置いています。 詳細については、 当社の Web サイト www.congatec.com/jp または LinkedIn, Twitter YouTube を ご覧ください。 本社 congatec GmbH Auwiesenstraße 5 94469 Deggendorf Germany Phone +49 (991) 2700-0 info@congatec.com www.congatec.com 子会社 congatec Asia Ltd. congatec, Inc. コンガテックジャパン株式会社 congatec China Technology Ltd. 2F., No.186, Sec. 3, 6262 Ferris Square 〒105-0013 東京都 港区 浜松町1-2-7 Sunyoung Center, 901 Building B, Chengde Rd. San Diego ユニゾ浜松町一丁目ビル301 No. 28 Xuanhua Road, Changning District, 10366 Taipei, Taiwan CA 92121 USA Phone +81 (3) 6435-9250 Shanghai 200050, China Phone +886 (2) 2597-8577 Phone +1 (858) 457-2600 sales-jp@congatec.com Phone +86 (21) 6025-5862 sales-asia@congatec.com sales-us@congatec.com www.congatec.jp sales-asia@congatec.com www.congatec.tw www.congatec.us www.congatec.cn congatec Australia Pty Ltd. congatec Korea Ltd. Real-Time Systems GmbH Unit 2, 62 Township Drive Mr. Yoonsun Kim Gartenstrasse 33 West Burleigh (Yatap-Dong), #707, 88212 Ravensburg Queensland 4219, Australia 42, Jangmi-ro, Bundang-gu, Germany Phone +61 (7) 5520-0841 Seongnam-si, Gyeonggi-do, Phone +49 (751) 359558-0 sales-au@congatec.com South Korea info@real-time-systems.com www.congatec.com Phone: +82 (10) 2715-6418 www.real-time-systems.com yoonsun.kim@congatec.com セールスオフィス France United Kingdom / Ireland Nordics & Baltics Mr. Luc Beugin Mr. Darren Larter Mr. Anders Rasmussen Phone: +33 6 44 32 70 88 Phone: +44 784 581 4792 Phone: +45 285 649 92 cfr-sales@congatec.com cuk-sales@congatec.com cdk-sales@congatec.com