隨著資料傳輸量的增加，「邊緣運(yùn)算」已經(jīng)成為實現(xiàn)資料管理和運(yùn)算過程中，顯著且有效率的關(guān)鍵性解決方案，對這種解決方案的需求也在逐年增加。因此PICMG對著手定義了更新一代的工業(yè)電腦模組標(biāo)準(zhǔn)「COM-HPC」。

COM概念發(fā)表20餘年以來，在高品質(zhì)、高性能運(yùn)算平臺的開發(fā)和製造方面，為了讓導(dǎo)入的業(yè)者快速提升競爭力，COM降低了設(shè)計新載板所需要的時間和精力，也成功擴(kuò)展到包括圖形密集型、行動式、交通、醫(yī)療設(shè)備、軍工、電信等眾多應(yīng)用。近年來隨通信技術(shù)的快速發(fā)展和人工智慧、邊緣運(yùn)算等概念的引入，以及 PCIe介面標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)一步演進(jìn)，COM朝向高性能運(yùn)算方向推進(jìn)已是大勢所趨。

CoM或SoM是一種小型的即用型運(yùn)算解決方案，由獨立於應(yīng)用程式的硬體和軟體組成，可用於開發(fā)任何嵌入式產(chǎn)品。從軟體的角度來看，包括了操作系統(tǒng)，設(shè)備驅(qū)動程式和關(guān)聯(lián)的BSP(圖1)。

圖1 : COM朝向高性能運(yùn)算方向推進(jìn)已是大勢所趨?（source：凌華）

一般而言，期望導(dǎo)入CoM的目的，不外乎包含了下述4個期待。1. 加快讓產(chǎn)品導(dǎo)入市場：可以專注於開發(fā)產(chǎn)品的特定於應(yīng)用程序的部分。讓CoM進(jìn)行基本的通用電路。2. 經(jīng)過驗證的解決方案：透過CoM供應(yīng)商可靠的解決方案，可降低開發(fā)風(fēng)險。3. 優(yōu)化產(chǎn)品開發(fā)成本：利用現(xiàn)成的CoM經(jīng)濟(jì)規(guī)模，來降低開發(fā)成本。4. 獲得最新技術(shù)：藉由CoM供應(yīng)商所開發(fā)的先進(jìn)技術(shù)（SOC、記憶體），來開發(fā)出更具競爭力的產(chǎn)品。

必須有一個高性能的運(yùn)算平臺來實現(xiàn)巨量資料的傳輸

今天整個產(chǎn)業(yè)界都在關(guān)心邊緣運(yùn)算對物聯(lián)網(wǎng)的影響，更進(jìn)一步的說，如果業(yè)者能夠在雲(yún)端運(yùn)算和邊緣運(yùn)算之間，提供正確功能和資源配置的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與嵌入式平臺，這將會因為其性價比和穩(wěn)定性，成為物聯(lián)網(wǎng)時代的主流。根據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)的研究，到2023年時，將有75%的資料會在數(shù)據(jù)伺服器之外，被建立和產(chǎn)生，而其中超過50%的資料將在邊緣進(jìn)行處理、儲存和分析。具體來說，大約是45 Zetta Bytes的資料，這比2019年全球產(chǎn)生的資料總量還要多。也就意味著數(shù)據(jù)伺服器的性能必須在邊緣環(huán)境中擴(kuò)散。當(dāng)然，實現(xiàn)這一點說起來容易做起來難。

在雲(yún)端運(yùn)算中，可以透過網(wǎng)路儲存和分析最終用戶的特定目的，進(jìn)行大量數(shù)據(jù)上傳，因此收集和處理數(shù)據(jù)的能力，對雲(yún)端伺服器就顯得非常重要。另外，在各種應(yīng)用中，為了解決需求和問題，雲(yún)端交換的通信資料不斷被收集、儲存和分析。這些大量資料的傳輸和分析，相當(dāng)需要安全和強(qiáng)大的雲(yún)端機(jī)制，因此必須有一個高性能的運(yùn)算平臺來實現(xiàn)巨量資料的傳輸。

邊緣運(yùn)算是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域，需要前所未有的性能。到目前，高階嵌入式多核處理器的系統(tǒng)記憶體需求都在迅速增長。當(dāng)記憶體需求接近128 GB或256 GB時，目前常見的規(guī)格（例如COM Express）已經(jīng)無法有效解決性價比的困難。

對於現(xiàn)今這一個領(lǐng)域來看，COM-HPC將是物聯(lián)網(wǎng)市場上的首款產(chǎn)品，因為其優(yōu)異的性價比和穩(wěn)定性，相當(dāng)有望成為未來物聯(lián)網(wǎng)時代的主流解決方案。

由PICMG所開發(fā)的嵌入式模組標(biāo)準(zhǔn)「COM Express」已經(jīng)使用了10多年，也因為各方面需求不斷的增加，因此在2017年更開發(fā)了COM Express Type7。

接下來，因為隨著資料傳輸量的增加，「邊緣運(yùn)算」已經(jīng)成為實現(xiàn)資料管理和運(yùn)算過程中，顯著且有效率的關(guān)鍵性解決方案，對這種解決方案的需求也在逐年增加。因此PICMG對於市場上這些的需求，又著手定義了更新一代的工業(yè)電腦模組標(biāo)準(zhǔn)「COM-HPC」(圖2)。COM-HPC規(guī)格將免費提供給PICMG會員，非會員可以750美元的價格購買使用。

圖2 : PICMG為了滿足市場的需求，又定義了COM-HPC。（source：Adventech）

COM-HPC的六大特點

與COM Express相比，COM-HPC具備了更高的性能水準(zhǔn)，並採用創(chuàng)新的設(shè)計來滿足高階運(yùn)算的需求。而這項由PCI工業(yè)電腦製造商協(xié)會所(PICMG)所主導(dǎo)開發(fā)的最新模組規(guī)格，已經(jīng)到了最後的階段，預(yù)計這個新一代的模組規(guī)格，可以滿足最高效能工業(yè)邊緣運(yùn)算市場的需求。COM-HPC並不是取代COM Express，而是在擴(kuò)展COM Express的成功(見圖表3)。

圖3 : COM-HPC與COM Express的規(guī)格比較。(source：kontron)

邊緣運(yùn)算是一個快速發(fā)展的領(lǐng)域，不斷需要更先進(jìn)的效能來支持成長。所以在可預(yù)見的未來，高階嵌入式多核處理器的系統(tǒng)記憶體需求，都將呈現(xiàn)快速成長。但是當(dāng)記憶體需求接近128 GB或256 GB時，目前常見的規(guī)格（例如COM Express）是無法達(dá)到高經(jīng)濟(jì)效率，這也就是為什麼需要COM-HPC的原因。

COM-HPC定義了五種尺寸，最多允許在板載上放置八個DIMM插槽，做為伺服器模組之用。除了更快、更好、更便宜之外，COM-HPC還實現(xiàn)了與廠商和架構(gòu)所需的多規(guī)格介面，例如，用eSPI取代LPC，使非x86架構(gòu)可以輕鬆地整合到COM-HPC中。

COM-HPC的特點包括了：

● 支援運(yùn)算密集型平臺

COM-HPC支援TDP高達(dá)150W的處理器。這些規(guī)格不僅與最新的高密度處理器相容，後者可提供約110W的16個運(yùn)算內(nèi)核，而且在未來10年內(nèi)將支援更多的內(nèi)核，預(yù)計未來十年需要將支援更多的處理器，因此預(yù)留了30～40W的空間，作為未來擴(kuò)充設(shè)計的準(zhǔn)備。

● 最大記憶體容量

高性能嵌入式多核處理器對記憶體的要求呈指數(shù)級成長，因此，平臺必須支援足夠的記憶體，以達(dá)到預(yù)期的最大性能水準(zhǔn)。 COM-HPC最多可實現(xiàn)8個DIMM，提供高達(dá)512GB的記憶體容量，以支援最新、最主流的記憶體解決方案。另一方面，隨著記憶體技術(shù)的進(jìn)步，COM-HPC更能夠支援更大的記憶體容量。

● 高頻寬介面

COM-HPC最多可提供64條通用PCIe通道，和一條專用於連接到IPMI BMC（載板）的PCIe通道。使得COM-HPC可以支援比COM Express更寬廣的鏈接頻寬，例如4個PCIe x16或8個PCIe x8。還可暫時支援PCIe Gen 4.0，但隨著最新高密度和高速連接器的出現(xiàn)，也將能相容於PCIe Gen 5.0。

另外，COM-HPC也支援最常用的USB介面，最多可提供4個USB 4介面，能夠傳輸高達(dá)20Gbit的資料。透過COM-HPC的8個10GbE埠，可利用乙太網(wǎng)路和外界連接，這已經(jīng)相當(dāng)於兩個100GbE埠。

● 模組尺寸

COM-HPC規(guī)格中定義了五種模組尺寸(圖4)。 最大的是E尺寸，為200mm x 160mm，E尺寸可以安裝8個DIMM。 另一方面，最小的模組板尺寸是為了作為使用SO-DIMMs，或焊接板載記憶體的用戶端平臺，開發(fā)業(yè)者可以選擇最適合自己應(yīng)用需求的尺寸模組。

圖4 : COM-HPC板尺寸。(source：PR TIMES)

● 功能集(Feature Set)和針腳(Pinout)

該規(guī)格支援兩種不同功能集的針腳，COM-HPC的伺服器型和用戶端型。伺服器端功能集作用在於進(jìn)行密集型資料處理和連接，具有多達(dá)64條通用PCIe通道，和8個10GbE埠。而用戶端則是針對一般應(yīng)用，包括了多個顯示和音訊介面以及MIPI-CSI攝影鏡頭介面。 這兩個功能組都使用了主連接器（J1），和副連接器（J2）。不過如有必要時，可以不使用第二個連接器，這會有助於整體成本結(jié)構(gòu)，因為在特殊的應(yīng)用下，例如不需要完整功能集的用戶端實現(xiàn)時，重要的和基本的功能，都已經(jīng)被分配給主連接器(J1)。

● 最新的高密度和高速連接器

COM-HPC也定義了一個400接腳、32GT/s（PCIe Gen 5）相容的連接器(圖5)。 在一般典型的應(yīng)用中，每個COM-HPC模組的底部提供了兩個載板對載板的連接器，一個是主連接器(J1)，一個是副連接器(J2)。 從模組到載板的預(yù)設(shè)高度是10 mm，但可以透過使用不同高度的連接器將其改為5 mm。

圖5 : COM-HPC定義了400接腳的連接器。(source：Kontron)

COM-HPC連接器還採用了SAMTEC的Edge Rate接觸系統(tǒng)，可提供1mm的接觸點。Edge Rate是一種堅固的觸點，專為COM-HPC等高速、高頻寬平臺而設(shè)計。觸點定位在塑膠體中，以最大限度地減少平行表面積，降低寬邊耦合和串?dāng)_。邊緣速率觸頭還針對 50 Ω 參考和 100 Ω 差分信號類型進(jìn)行了設(shè)計、模擬和優(yōu)化。

此外，COM-HPC連接器採用2.2 / 2.4 / 2.2 mm的行間距。增加的中心行距使PCB設(shè)計人員有更大的空間來路由差分信號。此外，隨著空間的增加，以及在差分信號周圍增加更多接地孔的能力，串?dāng)_也得到了改善。稍後會有更多關(guān)於這個主題的內(nèi)容。

從2020年底開始，已經(jīng)有業(yè)者陸續(xù)發(fā)表符合最新COM-HPC標(biāo)準(zhǔn)的電腦模組產(chǎn)品，並且配合其他硬體廠商的推動、產(chǎn)品開發(fā)以及帶動市場需求，相信兩年內(nèi)可達(dá)到成為市場主流規(guī)格的目標(biāo)。

從另一個角度來看，COM-HPC並不會取代COM Express，而是一種延伸和拓展，向邊緣伺服器和多功能邊緣用戶端解決方案的方向發(fā)展，來解決新的介面需要面臨的更高信號頻率，以及信號集成度的挑戰(zhàn)。相信到目前為止COM HPC已是最高性能的標(biāo)準(zhǔn)，並將引領(lǐng)工業(yè)電腦模組朝向新的世代發(fā)展。

**刊頭圖(source:congatec)