不断改进不断创新(CPCI发展趋势)
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如果嵌入式市场想要跟上台式机和服务器市场的性能曲线 需要新的冷却方法 为 了缩短分组／数据／电子的传输时间 各部件必须紧密的放置在一起 解决方法是超越风冷作为唯一的散热方式 寻找新的方法 技术上的发展如闭环液 体冷却 为冷却大的集中的部件提供了成本效益高的方法 表现出了很好的前景
板卡空间
ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 规范使用欧规卡的外形尺寸 这种板卡是 ６Ｕ 高 １６０ｍｍ 深 ０．８ 英寸槽 位间距 开始使用这种规范时 这种板卡的使用空间对于 ＣＰＵ 和支持的芯片组 对 于当时甚至前瞻一段时间的处理器都是足够的 但是经过九年的发展 越来越多的 功能融进了设计中 大部分性能的提升都增加了空间需求 相反地 同时芯片组已 经从许多分离元件变成了单个的 单片集成电路 在许多情况下 这减少了对总空 间的需求 这种集成也导致了总体部件成本的降低 在设计嵌入式结构时 每个单独的特征都需要对放置位置进行研究 有几个关键的 功能和特征能被移出 ＣＰＵ 卡 但是这需要在结构设计上做大量的规划
接下来我们提交了 ＦｌｅｘＮＡＴ 模块 评估了系统级分组处理特征并提交了满足这些特 征的成套产品和开发计划
现在我们正在进行结构开发的下一阶段工作 我们的 加速器 产品满足计算 存 储和节点部件传输卸载处理 注 卸载处理 将运算 存储和传输的部分功能转 移到专用部件中完成
加速器结构
现在的 CPU 板的功能
Fault容T错olerance Con控t制ro功l能Functions
业界希望做什么
在过去的九年中 许多公司已经配备了基础设施 设备和人员服务于他们已经购买 的基于 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 的系统 在支持向后兼容和占用相似的物理空间方面 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 或其派生物遇到了一些棘手的问题 有大量的已安装的 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 基 础设备 人们希望他们的这些投资能够得到保护
当供电的策略都用上时 在使用高可用的 智能的 可管理结构的 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 系 统中 可为每块板卡提供高达 ２００Ｗ 的功率
这就引出了如何冷却系统产生的多余热量的问题
集成集中了热量
系统和板卡设计者面临的一种现象是芯片级的集成 当越来越高的性能能够由分离 元转到单片集成电路 单个单片集成电路所占用的空间通常比许多分离元件占用的 空间要小很多 集成使热量都集中在板卡的某一部分 热量的集中增加了散热的挑 战性 如何使足够的气流掠过部件驱散它的热量
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不断改进不断创新： 我们能为 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 做多少进一步的创新设计？
I/O 吞吐量
带宽向着更高的目标不断变宽 以太网已从 ２Ｍｂｐｓ 增长到 １０Ｇｂｐｓ ＰＣＩ 已经从 ３２／６６ 增长到 ６４／１３３ 这些性能的提升已经呈指数的改进了设备之间的通信 同时 提高了对设备的要求 这些设备要在源端和目的端处理通过这些结构传输的数据 因为设备以更高的速率接收和发送数据 它们担负着用于传输数据的协议处理的重 任
桌面或开发环境与生产环境的一个关键差别是需要用户接口 芯片如 Ｉｎｔｅｌ Ｐ４ 设 计支持集成的图形显示 用户外设如 ＵＳＢ 打印口 键盘 鼠标等 其中的许多功 能都集成到了 ＣＰＵ 或支持的芯片组中 许多用户寻找 性能 但又没有真正理解他 们要找的 性能 是什么 许多 ＣＰＵ 性能较低 但对于嵌入式应用 与高性能 的台式机或企业机相比实际上具有更好的工作特性
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不断改进不断创新： 我们能为 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 做多少进一步的创新设计？
ＰＴ 公司首先从我们的机箱和管理部件开始 我们在高级管理平台中证明了这种结 构 我们评估了系统的供电 冷却和管理特征 提交了满足这些特征的成套产品和 开发计划
PPPP oooo wwww er er er er SSSS
uuuu
P PP P o oo o w ww w er er er er S SS S
u uu u
机箱管理模块ISMs 从CPU中 分离出了管理和控制功能
FlexNatModules Support Dynamic Switching Confi.gs
提供一种解决方案 占用原有系统的位置 能达到现代的性能水平 将来升级扩容 时能够保留已有的投资 这是业界真正希望的
让我们把 不断改进 应用在嵌入式系统设计中吧
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挑战
不断改进不断创新： 我们能为 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 做多少进一步的创新设计？
应用处理 容错
存储器 IO 加密 / 认证 IP Stack Processing 控制功能
新的 CPU 板的功能
应用处理
iSCSI Module Functions
存储器 Fra Baidu bibliotekO
TOE Module Functions
加密 / 认证 IP Stack Processing
ISM Module Functions
供电输入
在 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 中表现出的许多问题是有关散热和供电设计的 它的体系结构是普 通的风冷 槽位间距是固定的 板卡的长宽是固定的 背板连接器设计成固定的针 数 连线规格和插针布局
有几种策略可以用于增加 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 系统的供电输入 首先 把供电分散到更多 的针上可以增加供电量 在高电压的针上 如 １２ 伏直流 增加供电量然后在板卡 上再转换到合用的电压是增加供电量的另一种方法
经过九年的发展 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 在单项的规范上经历了不断的升级和结构改进 但其 核心规范还保持没变 不幸的是 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 最初设计提供的技术已经不断地发展了 这种结构已经达到 了规定的最大承载容量 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 遇到了处理器功耗和冷却需求 板卡密度 存 储和 Ｉ／Ｏ 吞吐量等几方面的挑战 这里存在着对业界的挑战 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 能够通过不断改进而被继续采用吗 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 能够通过不断创新而继续得到支持吗
不断改进不断创新： 我们能为 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 做多少进一步的创新设计？
和运算吞吐量的前景 浮点性能变的更重要了 而整数性能则继续按线性比例增 加
存储
嵌入式系统的板卡间距 板卡尺寸和散热限制已经严重的限制了能够集成到系统中 的大容量存储的数量 当一家公司想要在嵌入式系统中实现大容量存储时 通常意 味着要通过 ＰＭＣ 主机总线适配卡外接磁盘阵列实现外部存储 这样做费用可能非常 高并浪费空间 或用户可以接受 ２．５ 驱动器的品质 内置冗余 弥补可靠性和容 量的限制 在两种情况都要花费许多钱 另外 在 ＣＰＵ 卡上使用板载存储需要对板上空间 散热和供电做设计 将存储移出 ＣＰＵ 卡能够在处理密度 成本和可靠性上得到许多好处
不断改进不断创新:
我们能为 CompactPCI® 做多少进一步的创新设计?
作者 Bob Ehlers 商务发展总监
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不断改进不断创新： 我们能为 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 做多少进一步的创新设计？
概述
Ｋａｉｚｅｎ 一个日本的术语 意思是不断改进 来自于 ｋａｉ 意思是不断地和 ｚｅｎ 意思是改进 １９９５ 年 ＰＣＩ 工业计算机制造商组织 ＰＩＣＭＧ 提出了 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ ， 或叫 ＰＩＣＭＧ ２．Ｘ 当时它代表着嵌入式计算工业的巨变 这种外形结构成为了被广泛接收的结 构 特别是在电信行业 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 提供了领先的嵌入式计算技术包括高端处理 器 高速总线背板和最新技术水平的供电和冷却方式
将供电系统做成冗余的和可管理的是另一个问题 电源模块占用较小的位置提供更 多的电量 支持高可用操作是很重要的 做到这些而不使系统所需的电源模块增加 一倍是基本的要求 电源模块在如何组成一个整体群方面也必须是更智能的 负载 分担 主动管理电压和电流的状态 通报迫近的故障和费用 这些问题在设计供电 系统时都要考虑
TOE/IPSec/iSCSI Modules Off Load IO from CPU
IP 存储刀片取代了CPU卡上的 大容量存储 热量分布更均匀了
空出CPU 的能力集中做应用处理
为定义一个更好的嵌入式系统结构 我们首先考虑合理水平的集成和在系统中适当 的使用功能分布 我们称其为拆析 把整个结构按特定的功能要求拆分 确定各功 能之间的关系 确定各功能之间连接的能力和局限性 然后决定将来系统中最好的 布局
最后 在嵌入式设计中 ＣＰＵ 卡的功能已经由主要做控制处理器转变到应用处理器 控制功能多是分布式的 现已驻留在智能外设板中或专用部件如智能机箱管理模块 中 应用处理器的特性与控制处理器的特性有显著的不同 应用则更多的要求内存
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减轻高速 ＣＰＵ 的负担需要策略 当确定结构时充分考虑空间 散热和供电等 在机 箱中更均匀的分散处理任务 减轻 ＣＰＵ 的负担 这种策略能使性能呈指数改善
CPU 选择
针对任何特殊应用都有许多特征表示一个好的 ＣＰＵ 适用于台式机和企业服务器的 ＣＰＵ 不一定对嵌入式应用是最好的 然而 计算技术和电信的融合以及各种应用变 为嵌入到通信网络中 在台式机 企业服务器 数据中心和嵌入式电信运算环境之 间一定存在一个特征上类似的基本面
集成的应用开发环境将应用从开发者的桌面移到了实验室测试环境 移到了生产环 境 当设计一个嵌入式运算结构时 通常是一个生产环境 重视这一点将最终减少 应用开发费用 提高可靠性和简化管理
选择一款可以从 划分 中受益的 ＣＰＵ 也是很重要的 支持芯片组特性选项的范围 受限或过度集成的 ＣＰＵ 能导致许多选项不能改变 如果按特征寻找一款 ＣＰＵ 使特殊 的应用能紧密的对应到一款高度集成的 ＣＰＵ 和支持的芯片组 这应是最好的做法 如果应用需求是宽泛的 这种方法通常不太好 诀窍是寻找可以从集成中受益的应 用 将其移到适用的芯片上的系统中
在嵌入式系统设计中 集成到单片电路有一个收益递减点 当把某项功能集成到单 个单片电路中时 嵌入式系统设计者在散热效率方面在板卡的版面安排上只有很小 的选择余地 需要芯片厂商认识到 将企业市场需要的一组特性集成到单片 嵌入 式系统不一定从中受益
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专门化的功能–划分
有某些功能 在集成嵌入式 ＣＰＵ 卡的一组特征在一起时是常规要考虑的部分 这些 功能能够更均匀地分散到设计的板卡和系统 例如 ＰＴ 公司已经创建了一种系统管 理构架 使机箱的硬件管理集中在一个小的专用的智能机箱管理模块中 将系统管 理功能从大尺寸的单板计算机移到一个占用空间小的模块 空出单板计算机专门做 应用处理
重点部位的冷却
即使完成划分以后 我们已经把散热集中的部件均匀的分散到整个板卡和整个机 箱 我们仍要处理体积大的 整体的 功耗大的芯片 半导体厂商为了增加 ＣＰＵ 的 性能 收缩晶核 增加晶体管数量 增加密度 增大封装尺寸 提高时钟频率 ＣＰＵ 市场瞄准市场需求量 这个需求量由台式机和企业级服务器强有力的驱动着 在台式机或服务器中 空间确实不是很宝贵的 另外 因为板上信号的时钟频率的 提高 各部件必须紧密的靠在一起 进一步将热量集中在了板上的某一部位
正在使用的嵌入式系统的体系结构
拆析和划分– 不断地创新
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IP St
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IMSreSwtcnti CPUBadl oaeBaergdl NodeNodeNodeNodeNodeNodeNodeNodeNodeNodeNodeNodeNodeNodeoaeBaergdl CPUBadlreSwtcnti
板卡空间
ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 规范使用欧规卡的外形尺寸 这种板卡是 ６Ｕ 高 １６０ｍｍ 深 ０．８ 英寸槽 位间距 开始使用这种规范时 这种板卡的使用空间对于 ＣＰＵ 和支持的芯片组 对 于当时甚至前瞻一段时间的处理器都是足够的 但是经过九年的发展 越来越多的 功能融进了设计中 大部分性能的提升都增加了空间需求 相反地 同时芯片组已 经从许多分离元件变成了单个的 单片集成电路 在许多情况下 这减少了对总空 间的需求 这种集成也导致了总体部件成本的降低 在设计嵌入式结构时 每个单独的特征都需要对放置位置进行研究 有几个关键的 功能和特征能被移出 ＣＰＵ 卡 但是这需要在结构设计上做大量的规划
接下来我们提交了 ＦｌｅｘＮＡＴ 模块 评估了系统级分组处理特征并提交了满足这些特 征的成套产品和开发计划
现在我们正在进行结构开发的下一阶段工作 我们的 加速器 产品满足计算 存 储和节点部件传输卸载处理 注 卸载处理 将运算 存储和传输的部分功能转 移到专用部件中完成
加速器结构
现在的 CPU 板的功能
Fault容T错olerance Con控t制ro功l能Functions
业界希望做什么
在过去的九年中 许多公司已经配备了基础设施 设备和人员服务于他们已经购买 的基于 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 的系统 在支持向后兼容和占用相似的物理空间方面 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 或其派生物遇到了一些棘手的问题 有大量的已安装的 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 基 础设备 人们希望他们的这些投资能够得到保护
当供电的策略都用上时 在使用高可用的 智能的 可管理结构的 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 系 统中 可为每块板卡提供高达 ２００Ｗ 的功率
这就引出了如何冷却系统产生的多余热量的问题
集成集中了热量
系统和板卡设计者面临的一种现象是芯片级的集成 当越来越高的性能能够由分离 元转到单片集成电路 单个单片集成电路所占用的空间通常比许多分离元件占用的 空间要小很多 集成使热量都集中在板卡的某一部分 热量的集中增加了散热的挑 战性 如何使足够的气流掠过部件驱散它的热量
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不断改进不断创新： 我们能为 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 做多少进一步的创新设计？
I/O 吞吐量
带宽向着更高的目标不断变宽 以太网已从 ２Ｍｂｐｓ 增长到 １０Ｇｂｐｓ ＰＣＩ 已经从 ３２／６６ 增长到 ６４／１３３ 这些性能的提升已经呈指数的改进了设备之间的通信 同时 提高了对设备的要求 这些设备要在源端和目的端处理通过这些结构传输的数据 因为设备以更高的速率接收和发送数据 它们担负着用于传输数据的协议处理的重 任
桌面或开发环境与生产环境的一个关键差别是需要用户接口 芯片如 Ｉｎｔｅｌ Ｐ４ 设 计支持集成的图形显示 用户外设如 ＵＳＢ 打印口 键盘 鼠标等 其中的许多功 能都集成到了 ＣＰＵ 或支持的芯片组中 许多用户寻找 性能 但又没有真正理解他 们要找的 性能 是什么 许多 ＣＰＵ 性能较低 但对于嵌入式应用 与高性能 的台式机或企业机相比实际上具有更好的工作特性
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不断改进不断创新： 我们能为 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 做多少进一步的创新设计？
ＰＴ 公司首先从我们的机箱和管理部件开始 我们在高级管理平台中证明了这种结 构 我们评估了系统的供电 冷却和管理特征 提交了满足这些特征的成套产品和 开发计划
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机箱管理模块ISMs 从CPU中 分离出了管理和控制功能
FlexNatModules Support Dynamic Switching Confi.gs
提供一种解决方案 占用原有系统的位置 能达到现代的性能水平 将来升级扩容 时能够保留已有的投资 这是业界真正希望的
让我们把 不断改进 应用在嵌入式系统设计中吧
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挑战
不断改进不断创新： 我们能为 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 做多少进一步的创新设计？
应用处理 容错
存储器 IO 加密 / 认证 IP Stack Processing 控制功能
新的 CPU 板的功能
应用处理
iSCSI Module Functions
存储器 Fra Baidu bibliotekO
TOE Module Functions
加密 / 认证 IP Stack Processing
ISM Module Functions
供电输入
在 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 中表现出的许多问题是有关散热和供电设计的 它的体系结构是普 通的风冷 槽位间距是固定的 板卡的长宽是固定的 背板连接器设计成固定的针 数 连线规格和插针布局
有几种策略可以用于增加 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 系统的供电输入 首先 把供电分散到更多 的针上可以增加供电量 在高电压的针上 如 １２ 伏直流 增加供电量然后在板卡 上再转换到合用的电压是增加供电量的另一种方法
经过九年的发展 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 在单项的规范上经历了不断的升级和结构改进 但其 核心规范还保持没变 不幸的是 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 最初设计提供的技术已经不断地发展了 这种结构已经达到 了规定的最大承载容量 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 遇到了处理器功耗和冷却需求 板卡密度 存 储和 Ｉ／Ｏ 吞吐量等几方面的挑战 这里存在着对业界的挑战 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 能够通过不断改进而被继续采用吗 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 能够通过不断创新而继续得到支持吗
不断改进不断创新： 我们能为 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 做多少进一步的创新设计？
和运算吞吐量的前景 浮点性能变的更重要了 而整数性能则继续按线性比例增 加
存储
嵌入式系统的板卡间距 板卡尺寸和散热限制已经严重的限制了能够集成到系统中 的大容量存储的数量 当一家公司想要在嵌入式系统中实现大容量存储时 通常意 味着要通过 ＰＭＣ 主机总线适配卡外接磁盘阵列实现外部存储 这样做费用可能非常 高并浪费空间 或用户可以接受 ２．５ 驱动器的品质 内置冗余 弥补可靠性和容 量的限制 在两种情况都要花费许多钱 另外 在 ＣＰＵ 卡上使用板载存储需要对板上空间 散热和供电做设计 将存储移出 ＣＰＵ 卡能够在处理密度 成本和可靠性上得到许多好处
不断改进不断创新:
我们能为 CompactPCI® 做多少进一步的创新设计?
作者 Bob Ehlers 商务发展总监
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不断改进不断创新： 我们能为 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 做多少进一步的创新设计？
概述
Ｋａｉｚｅｎ 一个日本的术语 意思是不断改进 来自于 ｋａｉ 意思是不断地和 ｚｅｎ 意思是改进 １９９５ 年 ＰＣＩ 工业计算机制造商组织 ＰＩＣＭＧ 提出了 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ ， 或叫 ＰＩＣＭＧ ２．Ｘ 当时它代表着嵌入式计算工业的巨变 这种外形结构成为了被广泛接收的结 构 特别是在电信行业 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 提供了领先的嵌入式计算技术包括高端处理 器 高速总线背板和最新技术水平的供电和冷却方式
将供电系统做成冗余的和可管理的是另一个问题 电源模块占用较小的位置提供更 多的电量 支持高可用操作是很重要的 做到这些而不使系统所需的电源模块增加 一倍是基本的要求 电源模块在如何组成一个整体群方面也必须是更智能的 负载 分担 主动管理电压和电流的状态 通报迫近的故障和费用 这些问题在设计供电 系统时都要考虑
TOE/IPSec/iSCSI Modules Off Load IO from CPU
IP 存储刀片取代了CPU卡上的 大容量存储 热量分布更均匀了
空出CPU 的能力集中做应用处理
为定义一个更好的嵌入式系统结构 我们首先考虑合理水平的集成和在系统中适当 的使用功能分布 我们称其为拆析 把整个结构按特定的功能要求拆分 确定各功 能之间的关系 确定各功能之间连接的能力和局限性 然后决定将来系统中最好的 布局
最后 在嵌入式设计中 ＣＰＵ 卡的功能已经由主要做控制处理器转变到应用处理器 控制功能多是分布式的 现已驻留在智能外设板中或专用部件如智能机箱管理模块 中 应用处理器的特性与控制处理器的特性有显著的不同 应用则更多的要求内存
Performance Technologies www.pt.com
Page 5
减轻高速 ＣＰＵ 的负担需要策略 当确定结构时充分考虑空间 散热和供电等 在机 箱中更均匀的分散处理任务 减轻 ＣＰＵ 的负担 这种策略能使性能呈指数改善
CPU 选择
针对任何特殊应用都有许多特征表示一个好的 ＣＰＵ 适用于台式机和企业服务器的 ＣＰＵ 不一定对嵌入式应用是最好的 然而 计算技术和电信的融合以及各种应用变 为嵌入到通信网络中 在台式机 企业服务器 数据中心和嵌入式电信运算环境之 间一定存在一个特征上类似的基本面
集成的应用开发环境将应用从开发者的桌面移到了实验室测试环境 移到了生产环 境 当设计一个嵌入式运算结构时 通常是一个生产环境 重视这一点将最终减少 应用开发费用 提高可靠性和简化管理
选择一款可以从 划分 中受益的 ＣＰＵ 也是很重要的 支持芯片组特性选项的范围 受限或过度集成的 ＣＰＵ 能导致许多选项不能改变 如果按特征寻找一款 ＣＰＵ 使特殊 的应用能紧密的对应到一款高度集成的 ＣＰＵ 和支持的芯片组 这应是最好的做法 如果应用需求是宽泛的 这种方法通常不太好 诀窍是寻找可以从集成中受益的应 用 将其移到适用的芯片上的系统中
在嵌入式系统设计中 集成到单片电路有一个收益递减点 当把某项功能集成到单 个单片电路中时 嵌入式系统设计者在散热效率方面在板卡的版面安排上只有很小 的选择余地 需要芯片厂商认识到 将企业市场需要的一组特性集成到单片 嵌入 式系统不一定从中受益
Performance Technologies www.pt.com
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不断改进不断创新： 我们能为 ＣｏｍｐａｃｔＰＣＩ 做多少进一步的创新设计？
专门化的功能–划分
有某些功能 在集成嵌入式 ＣＰＵ 卡的一组特征在一起时是常规要考虑的部分 这些 功能能够更均匀地分散到设计的板卡和系统 例如 ＰＴ 公司已经创建了一种系统管 理构架 使机箱的硬件管理集中在一个小的专用的智能机箱管理模块中 将系统管 理功能从大尺寸的单板计算机移到一个占用空间小的模块 空出单板计算机专门做 应用处理
重点部位的冷却
即使完成划分以后 我们已经把散热集中的部件均匀的分散到整个板卡和整个机 箱 我们仍要处理体积大的 整体的 功耗大的芯片 半导体厂商为了增加 ＣＰＵ 的 性能 收缩晶核 增加晶体管数量 增加密度 增大封装尺寸 提高时钟频率 ＣＰＵ 市场瞄准市场需求量 这个需求量由台式机和企业级服务器强有力的驱动着 在台式机或服务器中 空间确实不是很宝贵的 另外 因为板上信号的时钟频率的 提高 各部件必须紧密的靠在一起 进一步将热量集中在了板上的某一部位
正在使用的嵌入式系统的体系结构
拆析和划分– 不断地创新
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