שיאים חדשים לביצועי מודולים בגודל כרטיס אשראי

בעולם של מחשוב משובץ, כמו בכל מקום אחר, יש דרישה שגדלה כל הזמן ‘לעשות יותר עם פחות’. כאשר הדבר נוגע למחשב על מודול, המשמעות היא במפורש לארוז יותר פונקציונליות וביצועים בתוך עקבת מעגל קטנה יותר. זו הסיבה שבגינה קבוצת PICMG (קבוצת יצרני מחשבים תעשייתים PCI) פועלים במלוא העוצמה כדי להגדיר את COM-HPC Mini, שהוא מחשב על מודול (COM) בגודל כרטיס אשראי מהדור השלישי, שמיועד ליישומים שבהם המקום מוגבל, ועם זאת נדרשים בהם ביצועים, ממשקים וצרכים אחרים ברמה גבוהה יותר מזו שמספקות מערכות מהדור השני של מודולי COM Express Mini.

טכנולוגיה לא נשארת במקום, לכן מפתיע מעט שבעקבות השקת התקן החדש ללקוחות ולמודולי שרתים עבור מחשב COM-HPC לביצועים גבוהים, קבוצת PICMG כבר עובדת על עקבת מעגל זעירה ברמה גבוהה. התקן ל- COM-HPC Mini הממשמש ובא, שמתוכנן ליישומים קטנים אך צמאים לביצועים שאינם נתמכים על ידי COM Express Mini, הוא הצעד הבא בהתפתחות מחשבים על מודולים בגודל כרטיס אשראי, שהחלה עם מפרט המודול DIMM-PC, אי שם בשנות התשעים של המאה שעברה.

מבט על תוכניות COM-HPC Mini

קבוצת PICMG הכריזה על תוכניות מפורטות להרחבה של תקן COM-HPC ברמה גבוהה לממדים קטנים, בתחילת שנת 2022. כצפוי, למודולי COM-HPC Mini החדשים תהיה עקבת מעגל קטנה במידה ניכרת מזו של מודולים בגודל לקוחות ושרתים, הגדולים יותר. למעשה, הממדים של מודולי COM-HPC Mini, שהם 95 x 60 מ”מ בלבד, הם חצי מהממדים של מודולי COM-HPC Client הקטנים ביותר, Size A. ורק לצורך דוגמה, מודולים קטנים באופן קיצוני כאלו נדרשים עבור שיבוץ לוגיקת מחשבים במערכות בקרת אוטומציה במבנים ובתעשייה או עבור התקני בדיקה ומדידה נישאים.

פרט להקטנת עקבת המעגל, המפרט של COM-HPC Mini מאופיין בסידור פינים של ביצועים גבוהים. התקן החדש שמספק 400 פיני אותות, בהשוואה ל- 220 הפינים של COM Express Mini, מוגדר לענות על הדרישות המתפתחות של ממשקים לעיבודי קצה. ההרחבות כוללות עד 4 חיבורי USB 4.0 עם פונקציונליות מלאה, לרבות מצב לסירוגין של Thunderbolt ו- DisplayPort, PCIe דור 4/5 עם עד 16 ערוצים, חיבור Ethernet שני של 10 ג’יגה-סיביות בשנייה, ועוד הרבה. אם נוסיף לזה את העובדה שהמחבר של COM HPC Mini מתאים גם לרוחב פס של יותר מ- 32 ג’יגה-סיביות בשנייה – די כדי לתמוך ב- PCIe דור 5 או אפילו דור 6 – ברור שהיכולות שלו חורגות הרבה מעבר לאלו של COM Express Mini המוגבל ל- PCIe דור 3 עם קצב אות שעון של 5.0 ג’יגהרץ ו- 8 ג’יגה-סיביות בשנייה.

ואולם, לא רק משתמשי COM Express Mini הם אלו שיכולים להפיק תועלת מההרחבה של COM-HPC קטן הממדים. התכנונים של COM Express Compact ו- COM Express Basic גם הם עומדים להרוויח מהמעבר לתקן חדש זה. המודול COM-HPC Mini מציע פוטנציאל לחיסכון מקום עצום, ללא אובדן ביצועים וכמעט ללא אובדן ממשקים, במיוחד במקטע של מערכות ‘לרמה נמוכה’ (low-end) עד מערכות ‘לרמה אמצעית’ (mid-end) בממדי COM Express, המיוצרות בכמויות גדולות. כך, על ידי שימוש ב- COM-HPC Mini למעבר של מודולים בתכנונים בקנה מידה גדול, למודולים בגודל כרטיס אשראי, משתמשי COM Express Compact ו- COM Express Basic יוכלו להאיץ את המזעור של תכנוני המערכות הקיימות שלהם.

איור 1: המודולים בגודל כרטיס אשראי מהדור הבא מתחילים להופיע. במארז COM-HPC Mini יהיה סט מקיף של ממשקים, לרבות 16 ממשקי PCIe, 3 ממשקי גרפיקה ועד 4 ממשקי USB 4 מלאים על עקבת מעגל קומפקטית בגודל 95×60 מ”מ

הציפיות מההשקה לשוק

כאשר מחלקות מו”פ של יצרנים גדולים של מודולי מחשבים, כגון congatec, פועלים באופן גלוי להשלמת המפרט בקבוצת PICMG, ככל הנראה, המודולים הראשונים של COM-HPC Mini עומדים לצאת לשוק תוך כמה חודשים. השקה כה מהירה לשוק נעשית אפשרית, בחלקה, בזכות מערכות היחסים הקרובות שקיימות בין יצרני המוליכים למחצה, כגון Intel, שמשתפת את טכנולוגיית המעבדים המתקדמת שלה דרך תוכניות גישה מוקדמות. כתוצאה, כבר היום נמצאים בפיתוח דגמים ראשונים של אב טיפוס של מעבד ליבה (Core) של Intel המבוססים על מודולי COM-HPC Mini ולוחות נושאים תואמים. לכן, אנשי פיתוח שרוצים ליזום תכנונים חדשניים של הדור הבא, יכולים להתחיל לפתח מייד מודולי COM-HPC Mini.

לא ממהרים אל השינוי

תוך כדי דחיסה של ביצועים גבוהים במיוחד לתוך מודול מחשוב קטן, המודול COM-HPC Mini מכוון באופן ברור לתחום הביצועים הגבוהים של מחשב על מודול בגודל כרטיס אשראי, למשל מערכות ניידות ונישאות שפועלות בטכנולוגיה רפואית, מחשבי טאבלט ומחשבים נישאים מוקשחים שפועלים בסוללה או כלי רכב בהנחיה אוטומטית  (AGV) במרחבים שמוגבלים בגודלם ורובוטים ניידים אוטונומיים (AMR). אמנם יש סבירות רבה שהמודול COM-HPC Mini יהפוך במהירה לבחירה המועדפת במגזר זה, אך יש גם אינספור תכנונים קומפקטיים שלא נדרשים להם ביצועים גבוהים ביותר ולא טכנולוגיית ממשקים המתקדמת ביותר עם רוחב פס גדול מאוד. למפתחי המערכות האלו אין צורך דוחק לשנות את התקן, כאשר הם משדרגים תכנונים קיימים או מפתחים תכנונים חדשים. יש לראות ב- COM-HPC Mini תקן משלים שעונה על דרישות מתפתחות, ולא תחליף עבור COM Express Mini או בהקשר זה, לא לראות בו תחליף לתקנים אחרים עבור ממדים קטנים כגון SMARC, QSEVEN או µQseven. במיוחד מאחר שהאחרונים מתמקדים בתכנוני הספק נמוך שלא נדרשים להם הביצועים הגבוהים ביותר ורוחב פס רחב ביותר. מבט על התפתחות המודולים בגודל כרטיס אשראי מראה שלשוק נדרשים תקנים מקבילים, ובהם הוא תומך מזה עשרות שנים.

אבי טיפוס ראשונים של מודולי COM-HPC Mini מבוססי מעבד ליבה של Intel, נמצאים כבר בפיתוח.

הכל התחיל במחשבי PC מסוג DIMM

העידן של מחשב על מודול בגודל כרטיס אשראי החל בתחילת המיליניום, עם מפרט המודול DIMM-PC. מחשבי PC מסוג DIMM, שהיו במידות 68×40 מ”מ והתבססו על STPC תואם x86 ל- 100 מגהרץ של STMicroelectronics, היו בגודל של כרטיס אשראי בערך, וסופקו עם מחבר SO-DIMM של 144 פינים. מחבר זה, שסיפק מבחר חסר תקדים לאותו זמן של ממשקי כניסות יציאות (I/O) בעקבת מעגל קטנה כזו, קבע את המגמה לפיתוחים שהגיעו לאחר מכן.

גם אז, ובמידה רבה cדומה למודולים COM-HPC Mini של היום, היעדים העיקריים של מחשבי PC מסוג DIMM היו יישומים שהיו צריכים להיות קטנים, יעילים מבחינת הספק וניידים. אמנם תכונות אלו נשמעות דומות מאוד לתכונות של המודולים של היום, אך הביצועים של אותם מודולים בגודל כרטיס אשראי מהדור הראשון ומספר הממשקים הזמינים היו רחוקים מהצרכים של העולם המשובץ של היום. במיוחד לא היה די מקום לביצוע איורים במחבר קצה של 144 פינים במחשב PC מסוג DIMM, כך שהיה צורך במחבר נוסף כדי לספק פונקציונליות אמיתית של מודול מחשב ברמה תעשייתית.

מהר מאוד הפכו המגבלות של ממדי מחשב PC מסוג DIMM להיות ברורות, כאשר לשוק נכנסו המעבדים והשבבים מסוג x86, החדשים והחזקים יותר. המעבד Pentium M של Intel, שהושק ב- 2003, פשוט לא התאים לממדי מחשב PC מסוג DIMM, שהתאים במהותו רק למעבדי הספק נמוך, כגון 568 ZFx86 של ZF Micro Devices עם מהירות אות שעון של 128 מגהרץ או ל- STPC Elite של STMicroelectronics.

מהתקן µQseven ועד למפרט COM-HPC Mini החדש, מספר הפינים גדל והלך בזמן שממדי עקבת המעגל נותרו דומים לממדי כרטיס אשראי (85.6×53.98 מ”מ).

העידן של COM Express Mini מתחיל

המאמצים להגדיר מפרט חדש לחלוטין שיעביר לדרגת הביצועים הבאה את העיקרון הכללי של מודול מחשב, ואיתו מודולים בגודל כרטיס אשראי, החל ב- 2003, כאשר הוצגו התוכניות הראשונות של COM Express. הפיתוח של המפרט שאומץ באופן רשמי על ידי ועידת התקנון של קבוצת PICMG ב- 2005, המשיך והתרחב עד מהדורה 3.0 הנוכחית. בהיותו ראשון בתעשייה, הגדיר המודול COM Express תקן יחיד שמכסה את כל ממדי הגודל של מודול סטנדרטי: COM Express Basic (125×95 מ”מ), COM Express Compact (95×95 מ”מ) ו-COM Express Mini (84×55 מ”מ). המערכת הסביבתית האחידה הזו הייתה אבן פינה רצינית בהצלחה הבאה של עיקרון המחשב על מודול (COM), ועודדה ספקי אוטומציה ברחבי העולם לבסס את התכנונים שלהם על מפרט COM Express מפני שהמשמעות הייתה שאפשר להשתמש באותו תקן לתיק המוצרים כולו של הפתרונות.

מודולי COM Express Mini החלו להמריא כהלכה, כאשר Intel השיקה את מעבדי Atom הראשונים שלה ב- 2008. מאחר שהם הציעו בקר מערכת ‘הכל באחד’, למשל על ידי שילוב גשר צפוני (north bridge) עם גשר דרומי (south bridge), הם התאימו בקלות למודולים אלו בגודל כרטיס אשראי. מאז, מודולי COM Express Mini, עם Ryzen של AMD או אפילו עם מעבדי הליבה של Intel מהדור השמיני, הפכו גם הם להיות זמינים. ואולם, עד היום, מעבדי Atom של Intel נותרו הדומיננטים בגודל זה. תיק העבודות של מודולי congatec, למשל, משתרע בטווח שבין הדור השלישי של מעבדי Atom של Intel דרך הדור הרביעי והחמישי עד למעבדים כיום בסדרה Atom x6000 של Intel, ומעבדי Celeron  ו- Pentium N & J של Intel (שם קוד Elkhart Lake).

המערכת המקיפה COM-HPC מתארת באופן כללי את הדור השלישי של מחשב על מודול ומספקת את הרמה הגבוהה הקיימת כיום, בכל אחד מהממדים שלו.

חדירתם של SMARC ו-  µQseven

בעשור הבא אנו רואים השקה של שני מפרטים נוספים בלתי תלויים ביצרן: SMARC (82×50 מ”מ) ו- µQseven (70×40 מ”מ). מפרטים אלו שנמצאים באירוח אצל SGET (קבוצת התקנון לטכנולוגיות משובצות) היו התשובה של התעשייה לשני החסרונות של COM Express Mini. היעד הראשון היה להרחיב את טווח המעבדים כדי לאפשר אינטגרציה של מעבדי Arm, שהפכו במידה רבה להיות מקובלים, אך נתמכו על ידי COM Express Mini. המטרה השנייה מאחורי SMARC ו- µQseven הייתה לקצץ בהוצאות על ידי הימצאות של רק מחבר קצה אחד בגודל כרטיס בלוח הנושא, בניגוד ל- COM Express, כאשר הן למודול והן למעגל הנושא היה צורך במחבר. לשם השוואה, SMARC ו- µQseven משתמשים במחבר MXM יחיד שפותח עבור כרטיסים גרפיים שפועלים במהירות גבוהה, והוא לרוב משמש במחשבי מחברת. כיום, עם 314 פינים, המהווים 43% יותר פינים מאשר COM Express Mini ו- 37% יותר מאשר µQseven, מצליחה SMARC לשלוט בשוק המודולים בגודל כרטיס אשראי.

שימוש במקביל יהפוך לרווח

עם ה- COM-HPC Mini הממשמש ובא, מפתחי מערכות שביססו את התכנונים שלהם על אחד מהתקנים הקיימים עבור גודל כרטיס אשראי, יכולים בהחלט לתהות האם יהיה עליהם לעבור בקרוב לממדי גודל חדשים. אך אין סיבה למהר וגם אין סיבה הכרחית לשינוי, אלא אם הם מתכננים מערכות מהדור הבא עבור יישומים לביצועים גבוהים ועם זאת קטנים במיוחד. אם להיסטוריה של מודולי המחשבים אין לאן להתקדם, השוק ימשיך לדרוש את אותה תמיכת ספקים לתכנונים הקיימים מזה זמן רב. כתוצאה, המודולים COM Express Mini, SMARC ו- µQseven ימשיכו להתקיים בשלום בשנים הבאות, בשילוב עם COM-HPC Mini.

ואולם, מה שההשקה של התקן COM-HPC Mini החדש תעשה, היא הפיכה של COM-HPC להגדרה של מודול מחשב השלם ביותר שקיים, ועם זאת הוא מציע את יכולת השדרוג הרחבה ביותר בקשר לביצועים, עקבת מעגל וסיליקון נתמך, מפני ש- COM-HPC תומך ב- x86, Arm ובביצועי מאיצים כגון מעבדי GPU, FPGA ו- ASIC. באופן כולל, הדור האחרון הזה של מחשבים על מודולים יספק את הרמה הגבוהה ביותר בכל אחד מהממדים שלו כדי לכסות את השימושים הדורשניים ביותר, אשר עבורם אין כיום חלופות בתקנים אחרים.