【ホワイトペーパー】COM-HPC～ハイスピードな無制限のスケーラビリティ

COホMワイ-トHペーPパCー HighsCpeOedM oh-nHe LPimCits ハイスピードな無制限のスケーラビリティ

1 ハイスピードな無制限のスケーラビリティ COM-HPC COM-HPC は、ハイパフォーマンスなコンピュータ・オン・モジュールの、新しい PICMG 規格です。 ピン 配置とその機能について、最近正式に承認されました。 PICMG による COM-HPC 規格の最終的な承認は、 2020年の前半に予定されており、まだ時間があります が、PICMG サブコミッティーは 2019年11月に、 2つの重要な要素である物理的な形状とピン配置につい て既に承認しています。 これにより、 規格の策定に関わっている企業は、正式な承認後すぐに最初の製品 を市場に出すことができます。 リリースまでの間、一般に公開される情報は厳密に制限されています。 コン ガテックは、COM-HPC 規格のピン配置と形状に関する詳細情報を入手できる立場にあります。 多くのハイ スピードの組込みシステム開発者は、 ハイエンドの組込み/ミッドクラスのサーバ向けに、 この COM-HPC に次世代のインテルや AMD プロセッサを搭載するでしょう。 IHS Markit は、コンピュータ・オン・モジュー ル が 2020年の組込みコンピューティング ボードやモジュール、そしてシステムの総売上高の 約38% を占 めると推定しています。 これは、 最初のコンピュータ・オン・モジュールの発売以来、 つまり、 ハイエンドの 組込みコンピューティング向けに策定された 2つの重要な規格である ETX とその後継の COM Express の 登場以来、この市場における変化の大きさを説明しています。 COM-HPC は、 コンピュータ・オン・モジュール 市場の発展における継続的な一歩です。 しかし、COM-HPC が COM Express と同様の市場シェアに達する までには数年かかる可能性があります。 なぜならば、COM Express も ETX を追い抜くのに約5年を要したからです。 そして ETX モジュールは現在も販売さ れ続けており、既存の COM Express のお客様も、今後何年にもわたって COM Express モジュールを購入することができるでしょう。 よりハイパフォーマンスで、より多くのインタフェース COM Express を補完する新しい規格の必要性は簡単に説明できます。 それはデジタル トランスフォーメー ションの結果として、ハイスピードのパフォーマンスを必要とする組込みコンピュータの需要が高まってい るからです。 新しいクラスの組込みエッジサーバを開発するためには、 スケーラビリティが無制限でなけれ ばなりません。 440ピンの COM Express には、パワフルなエッジサーバ向けに十分なインタフェースがあり ません。 COM Express コネクタの性能も徐々に限界に近づいています。 COM Express は PCIe Gen 3 の 8.0 GHz のクロックスピードと 8 Gbit/s のスループットに対応できますが、コネクタが PCIe Gen 4 などの 先進の技術に対応する要件を満たしているかどうかはまだ不明です。

2 ハイスピードな無制限のスケーラビリティ ヘッドレスの組込みサーバ パフォーマンス 過酷な環境や拡張温度範囲の産業用ア プリケーションにおいて、分散システムと してますます使用されている新しいクラス のヘッドレス エッジサーバでは、 高度な 組込みエッジ パフォーマンスと高速イン COM HPC Client COM HPC Server タフェースの必要性が非常に高まってい ます。 この高いエッジ パフォーマンスが必 49x PCIe 65x PCIe 要な理由は、ビジョンと AIロジックを使用 4x USB 4.0 2x USB 4.0 して状況認識をおこなう自動運転車を例 4x USB 2.0 2x USB 3.1 にすると、 物事が複雑になってくることで、 2x SATA 4x USB 2.0 クラウドでアルゴリズムが処理されるのを 12x GPIO, 2x UART 2x SATA 待つことはできず、 即座に反応できなけ eSPI, 2x SPI 12x GPIO ればならないためです。 同じことは協働 SMB, 2x I2C, IPMB 2x UART 2x SoundWire, I2S eSPI, 2x SPI ロボットにも当てはまります。 これらに対 2x NBaseT (max. 10 Gb) SMB, 2x I2C, IPMB 応するためには、 システムが少なくとも 3x DDI 1x NBaseT (max. 10 Gb) 10 GbE インタフェースと、多数の並列コ eDP 8x 25GBE KR 2x 25GBE KR ンピューティング ユニットを使用する機能 Power 8-20V DC Power 12V DC (たとえば、 画像センサー データの前処理 COM-HPC 規格では、組込みコンピューティング サーバと、組込みコンピューティング クライアント用に や、複雑なディープラーニング アルゴリズ 2種類の異なるピン配置を定義しています。 ムの実行など)GPGPU が使用されていま す。 その多くは、FPGA や DSP に取って代わっており、 中央の CPU コアへの高速な接続が必要となり、こ れはタスクが複雑になるにつれて増加します。 多くの PCIe レーンを備えた COM-HPC システムは、 より多 くのアクセラレータ カードに対応できるため、 COM Express よりもさらにパフォーマンスを向上させること ができます。 大規模な並列データ処理 医療診断を既存の知見に基づいて支援するために、 人工知能の使用が増加しているメディカルイメージ ングにおいても、 パワフルな CPU と大規模な並列データ処理能力の組み合わせが必要です。 産業用の検 査システムで使用される無数のビジョンシステムや、公共のビデオ監視システムでも同様の性能が要求さ れます。 これまではスタンドアロンのマシンやシステムでしたが、 ますますネットワーク化されてきている ため、インダストリー 4.0 アプリケーションの分野全体では、 より高速なインタフェースも必要になってき ています。 リアルタイムのタッチインターネット向けの TSN サポートなどを含む、ハイパフォーマンスのイ ンターネット ソリューションを実現するために、組込みシステムで高速インタフェースのニーズが高まって います。 それに加えて、ますます多くのワークロードを単一のシステムに統合する必要が出てきています。 ビジョン システムやディープ ラーニングにおけるデータの前処理（これには侵入検知用のファイアウォー ルやスニッフィング システムが含まれます）のほかに、 実行中のアプリケーションと並行して実質的に同 一の負荷を処理する必要があります。 これにより、必要な性能は 2倍になるため、 リアルタイムシステムズ の RTS Hypervisor などのリアルタイム対応仮想マシン用のハイパーバイザ テクノロジーを使用する必要 が出てきます。 その他のアプリケーションには、 自動車テストシステム用のデータグラバーや 5G の計測技 術、PCIe で接続された高速 NVMe メモリを備えた産業用ストレージ システムなどがあります。 5G のエッ ジ ロジックや、 産業用サーバラック内のモジュラーブレードも、 ハイパフォーマンスのコンピュータ・オン・ モジュール の恩恵を受けることができます。

3 ハイスピードな無制限のスケーラビリティ PCIe 1.1 Raw Interconnect Bandwidth Lane Total Bandwidth Architecture Bit Rate Bandwidth Direction for x16 link PCIe 1.1 2.5 GT/s 2 Gb/s 250 Mb/s 8 Gb/s PCIe 2.0 5.0 GT/s 4 Gb/s 500 Mb/s 16 Gb/s PCIe 3.0 8.0 GT/s 8 Gb/s 1 Gb/s 32 Gb/s PCIe 4.0 16.0 GT/s 16 Gb/s 2 Gb/s 64 Gb/s PCIe 5.0 32.0 GT/s 32 Gb/s 4 Gb/s 128 Gb/s COM Express でサポートされている 最大 8 Gb/秒のPCIe 3.0 と比較して、COM-HPC では PCIe 4.0、あるいは 5.0 によって 2倍から 4倍のスループットを実現します。 最大 1 テラバイトの RAM COM-HPC は、最大 100 GbE、 最大 32 Gb/秒の PCIe Gen 4 と Gen 5、最大 8個の DIMM ソケット、およ び 200 ワット以上の高速プロセッサを搭載することができ、 これらの高速パフォーマンス要件をカバー します。 新しい規格では、サーバ オン モジュールと呼ばれるヘッドレスの COM-HPC Server モジュール と、COM Express Type 6 コンピュータ・オン・モジュール の概念に沿った COM-HPC Client モジュールの 2種類が定義されています。 200 G/400 G などの高速イーサネットを実現するためには、かなりの技術的な進歩が必要 です。 技術的にはパルス振幅変調 2 レベル (PAM2) としても知られるノンリターン ツー ゼロ (NRZ)、あるいはパルス振幅変調 4 レベル (PAM4) の 2種類のコーディング方式が可能です。 NRZ はナイキスト周波数が高く、チャネル依存損失が高くなるため、PAM4 がより実現可能な ソリューションになります。 COM-HPC コネクタは、両方のモードをサポートしているため、将 来性があります。 NRZ と PAM4 のアイ・ダイアグラム COM-HPC サーバ・オン・モジュールは、8つの DIMM ソケットにより大容量 1.0 テラバイトの RAM を実装す ることができます。 また、 最大 8x 25 GbE と、 最大 64 レーンの PCIe Gen 4 または Gen 5 をサポート しており、 これは、最大 256 GB/秒の I/O パフォー マンスになります。 これらの超高速インタフェース を備えているものは組込みエッジサーバ クラスに 分類され、 新しい PCIe レーンは PCIe Gen 5 で 32 Gbit/s を超える転送速度を提供します。 このような パフォーマンスは確かに必要となってきており、28 Gbs のノンリターン ツー ゼロ (NRZ) を転送できる コンポーネントがすでに存在しているため、 ハイパ フォーマンスのインタフェースを介して直接実装す COM-HPC Server および Client モジュールの USB 4.0 インタフェースは、Thunderbolt 3 をインテグレートしており、最大 40 Gbps、2つの 4K ディスプレイ、最大 100 ワット、さらに ることができます。 それに加えて、 最大 2つの非常 PCIe、USB、DisplayPort、および Thunderbolt プロトコルをサポートしています。

4 ハイスピードな無制限のスケーラビリティ にパワフルな USB 4 インタフェースが 800 ピン経由で提供されます。 Thunderbolt 3.0 により、 これらのイ ンタフェースは毎秒 40 ギガビット (Gbps) を提供します。 これは毎秒約 5 ギガバイト (GB) に相当し、 最大 20 Gbps の USB 3.2 の 約2倍の速度であり、これが最大 2つサポートされています。 COM-HPC Server モ ジュールの USB については、 さらに 4つの USB 2.0 インタフェースがあります。 2つのネイティブ SATA に 加えて、 サービス用などの単純なペリフェラルや標準通信インタフェースを統合するためにeSPI、 2x SPI、 SMB、 2x I2C、 2x UART、 および 12 GPIO もサポートされています。 サーバクラスのボードマネージメント COM-HPC のもう 1つの新しい機能は、インテグレートされた システムマネージメント インタフェースです。 現在 PICMG サブ コミッティーによって策定中のこのソフトウェアインタフェース は、COM-HPC 規格に容易に完全なサーバ機能を実装できるよ うにするために、 パワフルで複雑な IPMI の小さなサブセットを 取り込むことを目標としています。 適切なサーバクラスのボー ド・マネージメント・コントローラ (BMC) をキャリア ボードにイ ンテグレートすることによって、 COM-HPC は、 このインタフェ ースを使って広く拡張することができる、 真のエッジサーバ機 能を提供します。 新しくこの規格を使う設計者を支援するため に、関連するキャリアボード設計ガイドが必要になります。 この 規格は、 グラフィック プロセッサや FPGA 用の COM-HPC モジ ュール開発の可能性も提供します。 この目的のために、 規格で は PCIe クロック入力が定義されており、 COM-HPC モジュール をクライアントとして使用することができます。 これにより、複雑 COM-HPC 規格では 5種類フォーム ファクタが定義されており、2つは組込みコン なライザカード（従来のグラフィックスカードは、マザーボードに ピューティング サーバ用で、3つは COM Express Basic/Compact および Mini と 90度の角度で取り付けられる PCIe ソケット用に開発されてい 同様に、組込みコンピューティング クライアント用です。 すべてのバージョンで 800 ピンが提供されます。 COM Express では 440 ピンしかありません。 市販の PCIe ます。）を必要とせずに、 柔軟でコンパクトなヘテロジニアスな Gen 4 製品はまだないため、ピン数の差が、COM Express と COM-HPC のほぼ唯 コンピューティング ソリューションを設計することが可能になり 一の重要な違いになります。 COM-HPC Server モジュールのもう一つ大きな特徴 は、最大 8つの DIMM ソケットを搭載でき、現在最大 1テラバイトの RAM を実装す ます。 また、 提供する接続オプションが大幅に少なくなります。 ることができます。 これは MXM3 グラフィックスカードの場合でも 314 ピンしかな いため、 同じことが当てはまります。 COM-HPC によって非常に薄いモジュールの設計が可能になるため、 ラックシステム用にGPGPU や FPGA、 あるいは DSP をベースとした COM-HPC Server モジュールや、ア クセラレータモジュールの薄いスロットカードを設計することが可能になります。 すでにこの3種類のアク セラレータモジュールに対応するソリューションが開発されており、 COM-HPC は単なる組込みエッジサー バ プロセッサの規格ではなく、 GPGPU や FPGA、 あるいは DSP の拡張にも使用することができます。 440 ピンではなく 800 ピン 堅牢な組込みコンピューティングのまったく新しい規格である、 このハイパフォーマンスの組込みエッジサ ーバ クラスの COM-HPC Server についで、 ２つ目のカテゴリーである、COM-HPC Client モジュールは、 COM Express Type 6 仕様よりもやや上位に位置付けられます。 小さい形状のため最大 4個の SO-DIMM ソケットしか搭載できないため、 大きな違いは主にピンの数になります。 明らかに、 800ピンにより、COM Express の 440 ピンよりもはるかに多くのインタフェース オプションを提供します。 しかし、 COM Express を使ったシステムの開発者は、COM Express が PCIe Gen 4 をサポートする限り、 COM-HPC Client モジ ュールに切り替える必要はありません。 49の PCIe レーン (COM Express Type 6 では 24しか提供されま せん) に加えて、 初めて 2つの 25 GbE KR インタフェースと、最大 2つの 10 Gb Base-T インタフェースを

5 ハイスピードな無制限のスケーラビリティ 搭載し、現在のシングル GbE LAN よりもはるかに多くなっています。 もう 1つの魅力的な機能は、 最大 2 つの MIPI-CSI インタフェースで、 これにより、 状況認識や協働ロボットのために、 費用対効果の高いカメ ラ接続が可能になります。 多くの開発者は、4x USB 2.0 に加えてサポートされている、便利で用途が広く、 非常にパワフルな USB 4.0 インタフェースも高く評価しています。 最大 4つの USB 4.0 は、 最大 40 Gbps で超高速メモリを接続したり、あるいは1本の USB-C ケーブルで電源供給を含めて最大 2台の4kディスプ レイとインテグレートされた 10GbE ネットワークを接続することができます。 グラフィックも整理され、3つ の専用 DDI インタフェースがサポートされています。 DisplayPort、 DVI-I/VGA および DVI-I、 DP++ または DVI から LVDS への変換はキャリアボード上に実装するようになりました。 その他のインタフェースとして は、2x SoundWire と I2S、そして 2x SATA、 eSPI、 2x SPI、 SMB、 2x I2C、 2x UART、 および 12 個の GPIO があります。 新しいインタフェースとして規格に追加されたSoundWireは、 現在使用されているHDAインタフェースに 取って代わります。 SoundWire は、 最大 12.288 MHz のクロックレートで動作しクロックとデータラインの 2本のみを必要とする MIPI 規格であり、 最大 4つのオーディオ コーデックを並列に接続します。 各コーデ ックには、 評価のための独自の ID がついています。 新しい規格の開発に関与する企業とビジネス関係を持つ OEM は、 NDA のもと、サード パーティと情報を 共有しない限り、 適切なキャリアボードの設計を開始することができます。 新しい規格は、公式にリリース された後にオープンスタンダードとして利用可能になります。 PICMG COM-HPC サブコミッティーのメンバ ーは、 Acromag、 Adlink、 Advantech、 AMI、 Amphenol、 コンガテック（congatec）、 Elma Electronic、 Emerson Machine Automation Solutions、 Ept、 Fastwel、 GE Automation、 HEITEC、 Intel、 Kontron 、MEN、 MSC Technologies、 N.A.T.、 nVent、 Samtec、 Seco、TE Connectivity、Trenz Electronic、 University Bielefeld、VersaLogic Corp. です。 Adlink、コンガテック（congatec）、Kontron がコミッティ ーのスポンサーであり、コンガテックのマーケティング ディレクターである クリスチャン・エダー（Christian Eder）が COM-HPC コミッティーの議長を務めています。 彼は、COM Express 規格の開発においても草案 のエディターとして、 重要な役割を果たしてきました。 Kontron の シュテファン・ミルナー（Stefan Milnor） と、Samtec の ディラン・ラング（Dylan Lang）は、PICMG COM-HPC コミッティーのエディターおよび書記 として クリスチャン・エダー をサポートしています。 新しい COM-HPC コンピュータ・オン・モジュール 規格とそのピン配列の詳細については、こちらとこのリンクを参照してください。

6 ハイスピードな無制限のスケーラビリティ サーバグレードのキャリアボード設計 エッジサーバ レベルの COM-HPC キャリアボード設計をすぐに開始したい開発者は、 mini-STX キ ャリアボードの conga-STX7/Carrier をご検討ください。 5.5 x 5.8 インチの大きさで、COM Express Type 7 サーバ・オン・モジュール 用に開発されていますが、 効率的なリモートモニタリングとマネー ジメント、そしてメンテナンス機能のために、包括的なアウト・オブ・サービス/アウト・オブ・バンド アク セスを提供する、インテグレートされたサーバクラスのボード・マネージメント・コントローラ (BMC) が特徴です。 800 MHzの ARM11 プロセッサをベースとした Aspeed社の AST2500 BMC を組込 み、DDR4 1600 Mbps をサポートし、マネージメントコンソール用にオンチップ PCIe 2D VGA を提 供します。 コンガテック は、コンピュータ・オン・モジュール ベースの組込みエッジ、 およびマイクロ サーバを管理する要件を満たすように、コントローラのファームウェアを最適化しています。 これに は、PICMG 規格の既存の組込み API を使用できるようにするために、センサーを実装してリモート マ ネージメント システムに必要な、すべてのイベントログとアラートを実装することが含まれています。 さらに、 ローカルに接続されたサーバコンソールとリモート KVM の両方をサポートするために、シャ ーシの電源制御、KVM、およびメディア リダイレクト機能用の IPMI コマンドが実装されています。 異 なるターゲット間での出力切り替えを備えたホスト デバッグコンソールは、このリリースのバージョン 1.0 で完成します。 著者： クリスチャン・エダー（Christian Eder）、コンガテック マーケ ティングディレクター、PICMG COM-HPCサブコミッティー議長 ジェシカ・イスクイス（Jessica Isquith）、PICMG CEO

コンガテック（congatec）について コンガテック（congatec）は、 組込みコンピューティング製品にフォーカスする、 急速に成長しているテクノロジー企業です。 ハ イパフォーマンス コンピュータモジュールは、 産業オートメーション、 医療技術、 輸送、 テレコミュニケーション、 その他の多く の分野の幅広いアプリケーションやデバイスで使用されています。 当社は、 成長する産業ビジネスにフォーカスする、 ドイツの ミッドマーケットファンドである株主のDBAG Fund VIIIに支えられており、 これらの拡大する市場機会を活用するための資金調 達とM＆Aの実績があります。 また、 コンピュータ・オン・モジュールの分野では、 世界的なマーケットリーダーであり、 新興企業 から国際的な優良企業まで優れた顧客基盤を持っています。 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 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 Southern Europe / Benelux United Kingdom / Ireland Nordics & Baltics Mr. Stéphane Mailleau Mr. Darren Larter Mr. Timo Poikonen Phone: +33 6 32 99 12 12 Phone: +44 784 581 4792 Phone: +358 40 8268 003 stephane.mailleau@congatec.com darren.larter@congatec.com timo.poikonen@congatec.com