繼ETX/XTX和COM Express之后，嵌入式計算機模塊行業(yè)推出了一款開創(chuàng)全新性能級別的產(chǎn)品生命周期。這個全新的設(shè)計標準被稱為COM-HPC，已通過康佳特等企業(yè)組成的PICMG認證。隨著5G網(wǎng)絡(luò)的推展，極速的實時數(shù)據(jù)交換將成為主要應用領(lǐng)域。但目前COM標準的用戶不必擔心自己的解決方案就此失效，因為轉(zhuǎn)型需要時間，基于當前標準的產(chǎn)品在未來多年內(nèi)并不會退出市場。

圖解1

ETX及其演變成的COM Express標準是兩種嵌入式計算機模塊的技術(shù)規(guī)范，隨著技術(shù)的進步而在多個獨立團體的努力下實現(xiàn)了標準化。而現(xiàn)在，第三種標準COM-HPC即將推出，以滿足寬帶、5G聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、機器和系統(tǒng)的高性能要求。

自嵌入式計算機模塊（Computer-On-Module,以下簡稱COM）的概念誕生以來，模塊化電腦已成為嵌入式計算機系統(tǒng)中最為重要的設(shè)計原則。IHS Markit的研究表明，預計至2020年，嵌入式計算機主板、模塊和系統(tǒng)的全球銷售額中將有38%來自COM。首個嵌入式計算機模塊于1990年代早期問世，由德國公司JUMPtec的所有者且至今仍活躍于德國康佳特的Hans Mühlbauer，根據(jù)當時常見的AT/ISA96總線，推出了首個ModulAT模塊，基于9.54 MHZ 英特爾CPU 80C88，DRAM內(nèi)存可達640KB。其目標是讓辦公室電腦技術(shù)更適合工業(yè)用途。這在嵌入式計算機領(lǐng)域前所未有。當時，工業(yè)電腦主要使用19英寸機架系統(tǒng)，而使用100 x 160毫米主板的工業(yè)級電腦根本聞所未聞。該模塊在CPU和元件的同一側(cè)裝有120個針腳，當時的處理器顯然無需考慮復雜的散熱管理。

圖解2

JUMPtec基于當時常見的AT/ISA96總線，推出了首個ModulAT模塊，配備了9.54 MHz 英特爾 CPU 80C88，DRAM內(nèi)存可達640KB。

首個模塊的目標是避免將所有功能集中于一張卡上，以減少CPU快速更新?lián)Q代所帶來的沖擊。在過去，英特爾(Intel)和AMD每六個月就能推出一款新CPU。由于不確定舊版CPU還能在市場上留存多久，因此需要使用模塊化來確保其長期可用。當然，其擁有的可擴展性也帶來了多種不同的性能變種。另一個重點則是減少I/O板設(shè)計的復雜性。當I/O板需求的層數(shù)大幅減少，這使得PCB設(shè)計的成本隨之降低。在當時，如何用新型模塊減少功耗和發(fā)熱量也已經(jīng)成為了關(guān)注點。最后，客戶總是想要最新款式的CPU，這一點時至今日也沒有改變。而模塊同樣能保障這種優(yōu)勢。

模塊還能解決纜線纏結(jié)

然而，與AT/ISA96總線相比，ModulAT模塊上市的時間較晚，因為用于工業(yè)用途的嵌入式計算機當時才剛剛起步。例如，x86和Windows還未在行業(yè)中嶄露頭角，與藍屏問題的斗爭依然如火如荼。在這方面，模塊更像是新興行業(yè)的早期“盜版”產(chǎn)品，而不是既定模塊標準中的獨特產(chǎn)品世代。即便如此，JUMPtec依然開創(chuàng)了全球模塊業(yè)務，創(chuàng)立了標準規(guī)范。在如今看來，這是一大成功。在1990年代中期，PC/104 單板(SBC)的規(guī)格為連接器留出的空間過少，使其難以安裝在CPU和芯片組的同一側(cè)，進一步證明了模塊的重要性。隨著客戶開始對連接能力提出更高的要求，連接器被定制安裝在PCB的另一側(cè)，用以連接更多外部設(shè)備。PC/104的設(shè)計原則還意味著纜線必須將I/O引導至機箱，這導致纜線的纏結(jié)問題更為嚴重，也導致系統(tǒng)更容易出錯。在當時，良好的系統(tǒng)設(shè)計意味著干凈整潔的纜線連接。通過使用專用載板，使外部I/O可以直接連接到機箱，無需使用纜線，模塊概念能有效解決纜線纏結(jié)問題，這也成為一大亮點。JUMPtec開發(fā)的首個ETX模塊成功推出，標志著嵌入式計算機模塊市場的重大突破。

最佳模塊概念競爭激烈

然而，雖然JUMPtec開創(chuàng)了標準規(guī)范，但這些以ISA/PCI為基礎(chǔ)、具備400個針腳連接器的ETX設(shè)計卻并非一帆風順。許多企業(yè)和競品模塊概念開始要求原始設(shè)備制造商提供類似的解決方案，其中大多數(shù)的名字如今只有死忠粉絲才能想起。雖然當時的嵌入式計算機供應商規(guī)模與今日相距甚遠，但還是展開了激烈的競爭。JUMPtec和Advantech在2001年11月共同創(chuàng)立了ETX Industrial Group（ETX-IG），推出了首個開放的、獨立于制造商的模塊標準規(guī)范，其中一版規(guī)范如今依然有效。Mühlbauer在當時解釋道：“舉例來說，Advantech、I-Base、IBR和PCISystems都開發(fā)了不同的ETX主板，并且很快就達到了市場成熟的水平。為了確保全球ETX標準的統(tǒng)一制定，我們需要建立一個開放的ETX聯(lián)盟。” 在幾個月內(nèi)，其他重要的ETX支持者體會到了開放式標準帶來的卓越效益，也紛紛加入了聯(lián)盟。隨后，ETX-IG通過兼并和收購而變得越發(fā)舉足輕重，不同設(shè)計類型的模塊也逐漸減少。最終，模塊設(shè)計的分歧幾乎徹底消失。由此，在下一個技術(shù)周期中，嵌入式計算機模塊行業(yè)順利制定出了新的標準規(guī)范，避免了過多的競爭和交鋒。

圖解3

Advantech和JUMPtec在紐倫堡SPS/IPC/Drives上創(chuàng)立了ETX-IG。

COM Express于2005年成為正式的PICMG標準規(guī)范

2004年，隨著新推出的PCI Express總線被廣泛應用，新型處理器和芯片組也不再支持ISA，行業(yè)需要一種全新的設(shè)計概念：COM Express，這種規(guī)范雖然制定起來相對輕松，但也并非輕而易舉。主持標準規(guī)范的PICMG需要對抗內(nèi)部的種種障礙與拖延。最終，在2005年7月，嵌入式計算機業(yè)界對PICMG的COM Express標準達成了一致。該概念于2003年秋季與英特爾合作共同被提出，在18個月的時間后才實現(xiàn)了標準化。從2010年的Rev2.0到2017年的Rev3.0，起草者Christian Eder一直領(lǐng)導著標準的制定。他最初在Mühlbauer的JUMPtec工作，隨后加入了Kontron，如今則為德國康佳特服務。

圖解4

首款COM Express模塊于2005年開始批量生產(chǎn)，使用了英特爾奔騰M處理器，是嵌入式計算機處理器中真正的里程碑。

如今，在PICMG推出COM Express整整14年后，嵌入式計算機模塊市場成為了最大、最主要的嵌入式計算機子市場，所有嵌入式計算機制造商都能提供多種COM Express模塊。雖然如此，ETX/XTX模塊也并未銷聲匿跡，這意味著首個計算機模塊(COM)周期還并未終結(jié)。COM Express花了許多年的時間追趕ETX/XTX，直至2012年才終于在數(shù)量上超過了后者?？磥?“好用就不做改變”，流行這句諺語的可不只在嵌入式計算機市場。

COM Express模塊無可比肩

如今，對中高端性能的新式嵌入式載板而言，COM Express依然是無可爭辯的標準規(guī)范。似乎沒有其他規(guī)范能與之抗衡。這一規(guī)范經(jīng)過了多次低調(diào)的修訂，于2017年5月發(fā)布了如今的3.0版，這也是標準規(guī)范的好處。在相對較新的Type7規(guī)范中，COM Express專為嵌入式邊緣服務器應用而打造，在極端條件下甚至可以用作VITA規(guī)范的基準。其他模塊標準，例如Qseven和SMARC 2.0，雖然兩者都支持以ARM為基礎(chǔ)的應用處理器，但僅限于低功耗或者小型設(shè)計。最新的COM-HPC模塊標準規(guī)范吸取了過往的教訓：從一開始，這一高性能嵌入式計算機模塊標準就由PICMG制定，以盡可能避免模塊之間的激烈競爭。對第三代模塊標準規(guī)范來說，獨立于制造商的聯(lián)盟是最理想的生態(tài)體系。

圖解5

至今為止性能最強大的COM Express Type 7嵌入式服務器模塊，搭載AMD EPYC處理器。

第三代高性能COM問世

自2018年10月起，由康佳特市場營銷總監(jiān)Christian Eder 擔任主席的PICMG工作組就在研究最新的COM-HPC模塊標準規(guī)范。這一標準急需問世，因為所有全新的物聯(lián)網(wǎng)/5G聯(lián)網(wǎng)設(shè)備都需要高帶寬、高頻率的通訊總線，而COM Express板間連接器卻無力提供支持。這意味著在全球構(gòu)想、推行了數(shù)十年的嵌入式計算機模塊標準規(guī)范將由同一個德國COM聯(lián)盟所制定。目前，這一聯(lián)盟的主要推動力就是德國康佳特，該公司于2005年成立，為純粹的計算機模塊供應商，以避免和自己的顧客在系統(tǒng)解決方案市場中競爭。該公司也是Qseven和SMARC 2.0的構(gòu)思者。

寬帶網(wǎng)絡(luò)需要寬帶電腦

隨著業(yè)界從ETX逐步轉(zhuǎn)換到COM Express，新總線技術(shù)的推出自然會迎來新的標準。COM-HPC標準規(guī)范旨在為寬帶網(wǎng)絡(luò)中適合PCI Express第3代至第5代高頻信號的寬帶計算設(shè)定全新的嵌入式計算機模塊標準。然而，正如COM Express并未取代ETX，COM-HPC不應成為COM Express的替代品。如我此前所述，ETX/XTX模塊如今依然可以使用，用戶甚至在20年后依然可以使用同樣的設(shè)計原則。因此，在COM-HPC模塊標準同樣可以保證，過去有效的基本概念如今也依然有效。此外，新處理器的設(shè)計更為復雜，因此更需要通過特定的載板將I/O從CPU模塊導出。

但為什么不繼續(xù)開發(fā)COM Express就好呢？全新COM-HPC標準所需的并不只是新連接器，而是傳統(tǒng)COM Express中的許多功能已經(jīng)不再需要，需要被移除。這是因為全新的標準所瞄準的應用方式要求較高，遠超出了當前頂級COM Express的性能支持。然而，其目的依然是使原始設(shè)備制造商通過大型生態(tài)體系和PICMG及其標準規(guī)范的聲譽而獲得效益，因此，特別強調(diào)使用者可以輕松地完成系統(tǒng)遷移。由ETX遷移至COM Express時的大量經(jīng)驗應該能作為參考。

基于這些原因，在高于COM Express Type7和Type6標準規(guī)范的性能, 將有兩種全新的新一代性能級別。其中一類別主要面向邊緣服務器技術(shù)，其需要更多通信接口，而非強大的集成顯卡，且具備多核心用于工作負載整合。另一類別會擴展現(xiàn)有的高端嵌入式計算機標準，增添COM Express無法容納的新性能選項，其組成部分包括顯卡，USB 3.2(20 Gbit/s)、USB 4.0(40 Gbit/s)、 配備了x2/x4端口配置和重定時器的第4代與第5代PCIe、每秒100/200 Gb的以太網(wǎng)、NVMe和其他選項。

雙倍針腳，多達8個DIMM插槽

連接器是新標準規(guī)范中非常重要的一部分。COM Express僅限于傳輸速度每秒8 Gb、時鐘頻率5.0 GHz的第三代PCIe。全新的連接器可支持的傳輸速度超過了每秒32 Gb，等同于第5代PCIe。此外，支持多達65個PCI Express通路，足夠連接許多強大的GPGPU并進行機器學習。相比之下，COM Express最大僅能支持32個PCI Express。COM Express的性能表現(xiàn)目前受限于每對信號10 Gb以太網(wǎng)，這也將提升到每對信號至少25 Gb以太網(wǎng)，使100 Gb以太網(wǎng)的支持成為可能。用于邊緣計算機的新一代處理器還需要更多互聯(lián)，也需要更多DIMM插槽的空間。該新標準可支持多達8個DIMM插槽和800個針腳，而COM Express僅有440個針腳。

圖解7-8

康佳特的COM-HPC模塊擁有兩種性能類別，與如今的COM Express Type6和Type7一樣，分為客戶端(Client)類與服務器(Server)類。從一開始，這兩個類型的設(shè)計面積就意味著，大型的高端COM-HPC模塊能容納多達8個DIMM插槽。圖示還清晰展示出了不同尺寸的板際連接器的相同布局。

也許有人認為，制定新的標準規(guī)范輕而易舉，但事實并非如戲。僅僅提升信號頻率就帶來了諸多復雜的問題。例如：為了支持高達300W的模塊，康佳特和Samtec已經(jīng)為COM-HPC連接器的要求與測試合作探討了兩年。然而，PICMG工作組直到2018年10月才成立，這意味著許多基礎(chǔ)工作此前已經(jīng)被完成，由此加快了工作組的決策速度。

COM-HPC模塊何時問世？

參與標準制定的各大公司目前都翹首以待，希望流程不要如COM Express一般，在PICMG中再度停滯。它的成功很大程度上取決于企業(yè)能否攜手并進，而非單獨推行。因此，整個業(yè)界對發(fā)布公開聲明都相當謹慎。英特爾等半導體制造商已經(jīng)通過早期體驗項目分享了最新的處理器技術(shù)，開發(fā)部門正在全力進行初版設(shè)計的研究。康佳特的首個COM-HPC模塊可能于今年推出，到時，新 一代的嵌入式計算機時代即將來臨，這和當年COM Express花的時間差不多，因此很可能實現(xiàn)。

PICMG——強大的團隊

PCI工業(yè)計算機制造商組織（PCI Industrial Computer Manufacturers Group），簡稱PICMG，是由超過140家企業(yè)所組成的聯(lián)盟，旨在共同開發(fā)高性能電信與工業(yè)應用的免專利標準規(guī)范。聯(lián)盟的成員多為技術(shù)領(lǐng)域的先驅(qū)者，在各自的行業(yè)內(nèi)擁有多年開發(fā)經(jīng)驗。目前，該組織正在開發(fā)COM-HPC規(guī)范標準，為下一代嵌入式計算機模塊提供開放架構(gòu)。參與制定COM-HPC規(guī)范標準的企業(yè)包括工作組的發(fā)起方德國康佳特、凌華科技和控創(chuàng)，以及研華、Amphenol、比勒菲爾德大學、Elma Electronic、Emerson Machine Automation Solutions、ept、Fastwell Group、Heitec、英特爾、MEN Mikro Elektronik、MSC Technologies、N.A.T.、Samtec、SECO、TE Connectivity、Trenz Electronic和VersaLogic等，其主席為康佳特的Christian Eder。