Computer-on-Module Standards

Module für Server

Ab sofort können Computermodule auch in Servern eingesetzt werden. Die PICMG hat hierzu die COM Express Typ 7 Spezifikation veröffentlicht. Congatec bietet parallel zum Spezifikationslaunch applikationsfertige Server-on-Module mit Intel Xeon D Prozessoren an.

Module in Servern einzusetzen war bislang nicht üblich, denn die Entwickler der Servertechnologien hatten ihre eigenen Vorstellungen von der spezifischen Auslegung der Systeme. Sie hatten auch die Stückzahlen, die es rechtfertigten, dedizierte Systeme zu entwickeln. In Carrier-Netzwerken und Serverfarmen findet man deshalb eine große Anzahl dedizierter Systeme mit homogenen Designs. Mit zunehmender Performance ist es nun möglich geworden, diese Server zu virtualisieren. Ihre Funktionen werden also zunehmend über Software spezifiziert und laufen abstrahiert von der eigentlichen Hardware. Schlagworte sind hier Software Defined Networks und Network Funktion Virtualization (SDN/NFV). Da spezifische Designs nicht mehr nötig sind, führt dieser Trend zum einen zu einer Standardisierung der Hardware und Projekten wie dem Open Compute Project (OCP) für mehr Effizienz, Flexibilität und Skalierbarkeit, an dem sich auch Serverfarmbetreiber wie Google und Facebook engagieren. Ein Schwerpunkt ist hier die Modularisierung der Hardware. Da so im Grunde jeder Serverbaustein jede Aufgabe übernehmen kann, ist es nur noch eine Frage, wo der Baustein im Netz residiert und welche Performance er hat. Da Innovationszyklen bei der Prozessorperformance weiterhin hoch sind und der Kostendruck für Services steigt, suchen Systementwickler, Netzwerkbetreiber und Serviceanbieter nach Möglichkeiten, Performanceupgrades möglichst einfach und kosteneffizient umsetzen zu können.

Kosteneffiziente Performanceupgrades

Standardisierte Computermodule empfehlen sich besonders zur flexiblen Auslegung und bedarfsgerechten Skalierung der Serverperformance, denn Systeme können mit standardisierten Modulen selbst über Prozessorgenerationen hinweg problemlos Upgrades erfahren, ohne dass ansonsten irgendetwas an der Hardware geändert werden muss. Die Kosten eines Upgrades reduzieren sich damit auf den Austausch der Module, was deutlich günstiger ist, als komplette SBCs oder gar komplette Blades auszutauschen. Einziges Problem: Es gab bislang keinen Modulstandard, der nativ 10GbE unterstützt. Das hat sich mit der Verfügbarkeit der PICMG Spezifikation COM Express Typ 7 geändert, sodass modulare Server Designs mit redundantem 10Gbit Ethernet Switching jetzt auch auf Basis von Computermodulen entwickelt werden können.

Carrier-grade Server

Anwendungsbereiche auf Carrier-Level sind virtualisierte Infrastrukturrechner, dediziere Plattformen für Cloud-, Edge- und Fog-Server, die vom Carrier betrieben werden, Base Stations für die Mobiltelefonie sowie Storage- und Content-Distributionsysteme, die stets nach effizienten Lösungen für mehr Performance und einfache Skalierbarkeit suchen. Applikationsfelder auf Enterprise-Level finden sich zudem vornehmlich in Rechenzentren zur Content Distribution, wo Diensteanbieter für IPTV, Kabel und (mobile) Clouds möglichst nah am Edge des Carrier-Netzes Serverfarmen betreiben, die den Content on Demand devicespezifisch transcodieren und bereitstellen sowie in Security Applikationen wie Video Surveillance as a Service (VSaaS).

IoT- und Embedded Server

Die PICMG COM Express Typ 7 Module eignen sich aber nicht nur für solche Carrier- und Netzwerkserverinstallationen. Auch IoT- und Embedded OEM können von diesen neuen Server-on-Modulen profitieren. Anwendungsbereiche sind hier Cloud-, Edge- oder Fogserver die vom OEM oder Endanwender selbst betrieben werden und damit zwar auch am Edge des Netzes residieren aber letztlich außerhalb der Carrier-Netzwerke laufen. Zudem gibt es auch ganz klassische Anwendungsfelder, wie beispielsweise robuste Mikroserverdesigns für Robotersteuerungen, Mess- und Testsysteme, die übergeordnete Fabrikautomation sowie Industrie 4.0-Serverknoten. Attraktiv ist auch der Einsatz der Module in industrietauglichen OPC Servern, die vielfach die Nahtstelle zwischen Officeapplikationen und der industriellen Fertigung bilden und die zunehmend mehr Daten managen müssen.

COM Express Typ 7 Interfaces

Charakteristisch bei Server-on-Module nach COM Express Typ 7 Spezifikation sind bis zu vier 10GbE Interfaces, ein kompletten Satz an NC-SI Sideband Signalen sowie zusätzliche PCI Express Lanes. Die neuen Module unterscheiden sich damit von der Typ 6 Spezifikation signifikant, denn viele Interfaces mussten für diese neuen Interfaces weichen. Gestrichen wurden sämtliche Audio- und Videoschnittstellen sowie vier von acht USB2.0 Ports, das Expresscard Interface und zwei von vier SATA Ports. Dadurch werden auf dem AB Konnektor 60 Pins und auf dem CD Konnektor 42 Pins frei, die nun für die neuen Interfaces genutzt werden. Ausgelegt sind die 10GbE Interfaces als 10GBASE-KR Single Backplane Lanes (siehe auch IEEE802.3/49), um nicht an vordefinierte physikalische Interfaces gebunden zu sein. Der PHY, der den physikalischen Transmission-Layer definiert, befindet sich nicht auf dem Modul, sondern muss auf dem Carrierboard implementiert werden. Erst die Implementierung auf dem Carrierboard definiert, ob die Daten per Kupfer- oder Lichtwellenleitungen übertragen werden. Um noch mehr Flexibilität zu erreichen, können sie als austauschbare SFP+ Module implementiert werden. Es ist auch möglich, die Performance mehrerer 10GBit Ethernetsignale zu kombinieren. Vier 10GBASE-KR Lanes können in einen PHY für 40GBASE-KR4 zusammengefasst werden. Das Featureset der COM Express 10GBASE-KR Interfaces sieht zudem einen per Software definierbaren Pin für jedes der vier Interfaces vor. Dieser physikalische Pin kann dabei als Ein- oder Ausgang konfiguriert werden und wird von dem korrespondierenden Ethernet-Controller gesteuert. Eine typische Anwendung ist die Implementierung eines hardwarebasierten Timing-Protokolls nach IEEE1588 für leistungsfähige Echtzeitapplikationen.

Massenspeicher Interface

Der Wegfall von zwei SATA Ports mag auf den ersten Blick verwirren, da Serverapplikationen stets nach einer hohen Massenspeicherkapazität verlangen. Allerdings zeigen Technologietrends eindeutig, dass SATA-Festplatten zunehmend durch schnelle Solid State Disks (SSDs) ersetzt werden. Da SSDs aber viel schneller sind, werden die SATA-Schnittstellen zu einem Flaschenhals und durch NVMe abgelöst (NVM Express oder Non-Volatile Memory Host Controller Interface Spezifikation – NVMHCI, siehe auch www.nvmexpress.org), das PCI Express für die Anbindung von Massenspeichern nutzt. Typ 7 unterstützt diese Entwicklung eindeutig durch seine größere Anzahl an PCIe Lanes.

Das Featureset im Detail

Die neuen Conga-B7XD Server-on-Module nach COM Express Typ 7 Spezifikation sind headless ausgelegt und mit zehn unterschiedlichen Serverprozessoren verfügbar: Vom 16 Core Intel Xeon Prozessor D1577 bis zum Intel Pentium Prozessor D1519. An Arbeitsspeicher bieten sie bis zu 48GB besonders schnellen 2.400 DDR4 Arbeitsspeicher, der je nach Kundenanforderung mit oder ohne Fehlerkorrektur (ECC) ausgestattet ist. Das besondere Kennzeichen der neuen Congatec Server-on-Module ist die hohe Netzwerkperformance mit zweimal 10Gbit Ethernet. Für die Anbindung leistungsfähiger Systemerweiterungen inklusive Flashspeicher führen sie zudem auch bis zu 24 PCI Express Gen 3.0 Lanes sowie 8xPCIe Gen 2.0 Lanes aus. Konventionelle Speichermedien können über 2xSATA 6G angebunden werden. Weiter I/O Interfaces sind 4xUSB3.0, 4xUSB2.0, LPC, SPI, I2C Bus sowie 2xUART. Betriebssystemsupport wird für alle gängigen Linux Distributionen und Microsoft Windows Varianten geboten – Microsoft Windows 10 IoT inklusive.

Kühlkörper aus einer Hand

Systementwickler müssen besonders auf eine effiziente Kühlung achten. Ein gutes Kühlkonzept unterstützt zudem auch die Turboboost Features aktueller Prozessoren, die zusätzliche Rechenleistung liefert. Turboboost ermöglicht ein Übertakten der Prozessoren nur solange sie kühl genug bleiben. Damit es Entwickler beim Thermalmanagement möglichst einfach haben, definiert die COM Express Spezifikation einen Heatspreader als thermisches Interface. Seine ebene Oberfläche ist einfach in Serverapplikationen zu integrieren und ermöglicht auch schnelle Technologieupgrades, ohne die mechanische und/oder elektrische Systemarchitektur ändern zu müssen. Damit ist es auch viel einfacher, den sich ständig ändernden Roadmaps der Chiphersteller zu folgen. Die COM Express Spezifikation definiert zudem den I2C-Bus, über den mehrere Temperatursensoren für ein umfassendes Systemmonitoring angeschlossen werden können. Eine Spezifikation alleine macht jedoch noch keinen Heatspreader. Spezifikationskonforme Heatspreader und Kühlkörper stellt Congatec deshalb passend zu jedem Modul zur Verfügung, sodass Entwickler getreu dem Congatec-Slogan ‚we simplify the use of embedded technologies‘ die Integration der neuen Server-on-Module besonders leicht fallen sollte. Zur Evaluierung der neuen Server-on-Module stellt Congatec auch ein Evaluation Carrier-Board bereit. Die Schaltpläne und das Layout dafür sind frei verfügbar und können als Grundlage für eigene Designs verwendet werden.