Технологии и решения компании Schroff – ключ к построению современных магистрально-модульных вычислительных систем

Введение

Магистрально-модульные вычислительные системы различных стандартов, имеющие высокую мощность и способность максимально гибко изменять свою аппаратную и программную конфигурацию в соответствии с требованиями решаемой задачи, в настоящее время используются в самых разных областях, начиная от обработки потоков данных в телекоммуникациях и заканчивая бортовыми встраиваемыми вычислителями для различных видов транспорта.

Можно выделить несколько ключевых рынков для применения магистрально-модульных систем (табл. 1).

Варианты использования различных стандартов ММС в зависимости от области применения показаны на рис. 1.

Основная идея магистрально-модульной вычислительной системы точно отражена в её названии – она состоит из отдельных электронных модулей (печатных плат или сборок из нескольких печатных плат), соединённых между собой информационной магистралью, или шиной, при помощи которой модули обмениваются информацией друг с другом. Эта связующая магистраль конструктивно представляет собой также печатную плату с разъёмами, в которые устанавливаются модули, и называется объединительной платой (или кроссплатой). На начальном этапе развития ММС в качестве связующей магистрали использовались классические параллельные шины (например, ISA96, VME, CompactPCI и PXI), однако затем, по мере роста требований к скорости обмена данными между модулями, произошёл переход к использованию двунаправленных последовательных каналов передачи данных между модулями, имеющих на порядок более высокую пропускную способность по сравнению с параллельными шинами (например, системы CompactPCI Serial, VPX и AdvancedTCA). Благодаря наличию стандартных электрических и механических спецификаций для всех распространённых типов ММС оказалось возможным разрабатывать и производить отдельно инфраструктурную часть системы (корпус, кроссплату, блоки питания, систему охлаждения, образующие шасси для ММС) и целевую часть – активные компоненты, непосредственно решающие задачу клиента (рис. 2), выбираемые или разрабатываемые им самим. 

Таким образом, клиент может сосредоточиться на решении своей целевой задачи, а полностью готовое к использованию шасси приобрести у компании-партнёра, специализирующейся на их разработке и производстве.

Уверенность в правильном партнёре

Компания Schroff (в настоящее время входит в концерн nVent) более 50 лет является одним из ведущих в мире разработчиков и производителей магистрально-модульных вычислительных систем и компонентов к ним, предназначенных для решения любых задач. На протяжении всего процесса разработки и изготовления особое внимание уделяется внедрению инновационных решений, оптимизации затрат, строгому соответствию продукции стандартам и спецификациям, а также сокращению сроков разработки и изготовления.

Независимо от того, идёт ли речь о стандартных системных шасси, модифицированных изделиях или же индивидуальных разработках, опыт компании в производстве механических конструктивов и электронных компонентов – объединительных плат, источников питания и систем управления шасси (Shelf management) – позволяет передать заказчику полностью готовые и протестированные системы от одного производителя, включая проектирование, ведение проекта, создание прототипов, моделирование, тестирование, сертификацию, выпуск опытной серии и запуск серийного производства.

В компании Schroff считают, что шасси для магистрально-модульной системы должно предоставлять готовую инфраструктуру для решения задачи клиента. Все основные компоненты шасси разрабатываются и преимущественно производятся внутри компании. При сборке шасси компоненты, предназначенные для совместной работы, проходят комплексное тестирование в составе изделия для обеспечения бесперебойной работы в будущем.

Важнейшим требованием как к стандартным, так и к заказным шасси для магистрально-модульных систем является строгое соответствие международным открытым стандартам и спецификациям, благодаря которому становится возможной совместная работа компонентов от разных производителей в одной системе. Находясь на передовом рубеже технологических разработок, компания Schroff является активным членом международных организаций по стандартизации (табл. 2), участвуя в разработке новых спецификаций с самого начала.

В качестве глобального международного игрока на рынке Schroff быстро и эффективно внедряет новые технологии и инновации в своей продукции, что позволяет клиентам получать доступ к самому современному оборудованию. Ниже будут более подробно рассмотрены решения Schroff для наиболее популярных стандартов построения магистрально-модульных систем.

Cистемы AdvancedTCA – максимальная производительность и мощное охлаждение

AdvancedTCA – Advanced Telecommunications Computing Architecture – является первым открытым стандартом для построения ММС операторского класса с коэффициентом готовности 99,999% («5 девяток»), предназначенных для работы в телекоммуникационной сфере (рис. 3). Высокая вычислительная мощность в сочетании с возможностью резервирования всех основных узлов позволяет этим системам в непрерывном режиме обрабатывать огромные потоки данных, циркулирующих в сети Интернет, и трафик мобильных операторов связи. Спецификация была разработана и поддерживается организацией PICMG.

Благодаря большим размерам платы AdvancedTCA способны вмещать большое количество электронных компонентов и дополнительных мезонинных модулей расширения АdvancedМС (АМС), что позволяет реализовывать мощные узлы обработки данных, требующие эффективного охлаждения. Модули AdvancedMC являются самыми маленькими взаимозаменяемыми блоками в системах AdvancedTCA. Они устанавливаются в систему Advanced-TCA при помощи адаптеров или специальных плат-носителей для модулей AMC и позволяют расширить функциональность системы наиболее простым и гибким способом.

Для организации связи между модулями кроссплата AdvancedTCA использует последовательные дифференциальные каналы LVDS (низковольтная дифференциальная передача сигнала) и поддерживает различные протоколы обмена данными, такие как Ethernet, Serial RapidIO, PCI Express или Infiniband.

Кроссплата может иметь различную топологию – двойная звезда (Dual Star), дублированная двойная звезда (Dual-Dual Star), полносвязная сеть (Full Mesh), при этом все варианты топологии ориентированы на построение резервированных систем. Кроме того, в шасси AdvancedTCA предусмотрено полное резервирование всех ключевых элементов – модулей ввода питания (с возможностью подключения к независимым входным линиям), системы охлаждения, а также системы управления шасси (Shelf Management), имеющей наиболее широкий функционал (в том числе реализующей возможность «горячей» замены модулей), и возможность его настройки для решения конкретной задачи.

Основные характеристики системных шасси AdvancedTCA от Schroff: 

• пропускная способность кроссплаты 100 Гбит/с (в зависимости от топологии – до 300 Гбит/с);

• мощность охлаждения до 500 Вт на плату (до 8 кВт на шасси) при разности температур воздуха на входе и выходе в 10 К;

• широкая линейка стандартных продуктов с числом слотов от 2 до 14;

• опционально – источники питания переменного, постоянного или комбинированного переменного/постоянного тока;

• дополнительная сертификация и проведение расширенных испытаний по требованиям клиентов;

• платформа с высоким коэффициентом готовности (доступность 99,999%);

• резервирование источников (модулей ввода) питания, блоков охлаждения и системы управления («горячая» замена модулей) обеспечивают бесперебойную работу устройства;

• различные топологии объединительных плат;

• развитая резервированная система управления шасси (Shelf Management);

• широкий ассортимент дополнительных механических компонентов: передних панелей, держателей модулей АМС, воздушных заслонок и других запасных частей.

Системы MicroTCA – высокая производительность в небольшом корпусе

MicroTCA – Micro Telecommunica-tions Computing Architecture – представляет собой мощные ММС небольших габаритов для гибких системных решений (рис. 4). 

Высокая масштабируемость и возможность использования в качестве функциональных блоков широкого набора стандартных модулей АМС (тех же, что и в системах Advan-cedTCA) позволяют легко адаптировать систему к требованиям конкретной задачи. ММС стандарта MicroTCA, также имеющие высокий коэффициент готовности 99,999% («5 девяток») и возможность резервирования ключевых компонентов, всё чаще используются не только в телекоммуникационных системах, но и в других областях, таких как промышленная автоматизация, высокоскоростная обработка изображений, сложное медицинское оборудование, сложные физические экспериментальные установки (например, Большой адронный коллайдер в CERN). Спецификация MicroTCA также была разработана и поддерживается организацией PICMG при активном участии инженеров компании Schroff.

В рамках стандарта MicroTCA существуют 4 варианта спецификаций MTCA.0 – MTCA.4:

• MTCA.0: базовый вариант для использования в телекоммуникационных системах;

• MTCA.1: усиленный вариант с повышенной ударо- и вибропрочностью и расширенным диапазоном рабочих температур;

• MTCA.2 и MTCA.3: варианты с воздушным и кондуктивным охлаждением для экстремально тяжёлых условий эксплуатации;

• MTCA.4: вариант с системой ввода-вывода с задней стороны для модульных контрольно-измерительных систем.

• пропускная способность кроссплаты до 40 Гбит/с;

• поддержка высокоскоростных последовательных протоколов и интеллектуальное управление модулями;

• соответствие спецификациям PICMG MicroTCA.0, MicroTCA.1 и MicroTCA.4;

• возможность использования в одной системе MicroTCA модулей Advan-cedMC шести стандартных размеров с поддержкой «горячей» замены;

•  платформа с высоким коэффициентом готовности (доступность 99,999%);

• резервирование источников питания, блоков охлаждения и системы управления («горячая» замена модулей) обеспечивают бесперебойную работу системного шасси;

• развитая система управления шасси (Shelf Management) с встроенным программным обеспечением;

• широкий ассортимент дополнительных механических компонентов: передних панелей для модулей АМС, воздушных заслонок и других запасных частей.

Системы CompactPCI и CompactPCI Serial – от привычных до высокопроизводительных

Оригинальные системы CompactPCI были представлены ещё в 1990-х годах на основе архитектуры и структуры шины PCI настольных компьютеров того времени. С тех пор широкое применение нашли системы CompactPCI с разрядностью шины 32 или 64 бита и числом слотов от 4 (в исходной версии) до 21, причём увеличение количества слотов достигалось при помощи использования мостов расширения PCI-to-PCI. Рост требований к пропускной способности кроссплаты и общей производительности системы обусловил переход от параллельных шин к последовательным, и на основе той же механической системы, что и CompactPCI, но с использованием быстрых современных последовательных интерфейсов PCI Express, а также высокоскоростных интерфейсов последовательного ввода-вывода, Ethernet, USB и S-ATA/SAS, была разработана новая спецификация CompactPCI Serial (CPCIe) (рис. 5).

Отличительной особенностью кроссплат CPCIe является сочетание двух систем – для основного интерфейса PCI Express, а также для USB и S-ATA используются топологии «звезда», а для Ethernet – «полносвязная сеть» (Full Mesh), что позволяет в большинстве случаев обойтись без отдельного коммутатора Ethernet в специальном слоте. Система может иметь 1 слот для процессорной платы и до 8 периферийных слотов, причём для всех слотов возможна организация ввода/вывода с задней стороны шасси (Rear I/O). Спецификации CompactPCI и CompactPCI Serial были разработаны и поддерживаются организацией PICMG.

Основные характеристики системных шасси CompactPCI и CompactPCI Serial от Schroff:

• широкий ассортимент изделий для ММС на базе CompactPCI для плат высотой 3U и 6U;

• шасси CompactPCI Serial соответствуют спецификациям PCIe Gen3, SATA Rev. 3.0, USB 3.0 и Ethernet 10G Base-T;

• блоки питания ATX или на открытом шасси, а также резервированные в виде вставных модулей;

• различные варианты кроссплат;

• широкий ассортимент дополнительных компонентов, таких как стандартные или индивидуальные передние панели, заглушки, элементы управления вентиляторами и блоки питания;

• подробны е инструкции по эксплуатации доступны на веб-сайте.

Системы PXI и PXI Express – для прецизионных многоканальных измерительных систем

Оригинальные ММС стандарта PXI являлись расширением систем Com-pactPCI, облегчающим их использование в контрольно-измерительной аппаратуре. В системе используется 32- или 64-разрядная шина CompactPCI, но благодаря наличию дополнительных высокоточных тактовых сигналов для синхронизации измерений технология PXI служит надёжной платформой для тестирования и измерений, а также для промышленных систем автоматизации.

По аналогии с системами Compact-PCI Serial для увеличения производительности и повышения тактовой частоты измерительных систем PXI также потребовался переход к использованию последовательных интерфейсов передачи данных и была разработана спецификация PXI Express (рис. 6), основанная на высокоскоростном интерфейсе PCIe с тактовой частотой до 100 МГц. Кроссплата PXIe может быть индивидуально сконфигурирована под требования конкретной задачи путём использования различных сочетаний мостов PCI-to-PCI, коммутаторов PCI Express и модулей генерации сигналов синхронизации, устанавливаемых на задней стороне кроссплаты.

Для обеспечения возможности использования старых модулей сбора и обработки данных стандарта PXI в новых системах PXIe предусмотрены также кроссплаты с гибридными слотами. Обратная совместимость обеспечивается гибридными периферийными слотами, совместимыми со старыми картами CPCI, PXI или более новыми платами CPCI Express и PXIe. Спецификация PXIe определена и поддерживается организацией PXI Systems Alliance.

Основные характеристики системных шасси PXI и PXIe от Schroff:

• широкий ассортимент настольных систем PXI и PXIe с различным количеством слотов;

• коммутаторы, мосты и модули синхронизации (PXIe), выполненные в виде мезонинных модулей, быстрая и простая адаптация архитектуры системы к требованиям приложений;

• модульная конструкция позволяет легко заменять компоненты системы на месте;

• оптимизированная концепция воздушного охлаждения для улучшения теплоотвода при низком уровне шума;

• поддерживает спецификацию PCIe Gen3 и пропускную способность системы до 16 Гбит/с.

Системы VME, VXS и VPX – надёжные технологии для жёстких условий эксплуатации

Первоначально стандарт VMEbus был определён в 1980-х годах группой производителей изделий VMEbus (VITA). Стандарт был разработан для применения в системах автоматического управления в промышленной и оборонной сферах и предусматривал использование модулей высотой 3U, 6U или (очень редко) 9U, шириной 4HP и глубиной 160, 220 или 280 мм.

Таким образом, системы на базе шины VME могут иметь до 21 слота в стандартном шасси шириной корпуса в 19 дюймов.

Первым шагом на пути повышения пропускной способности шины VME, сделанным намного раньше начала эпохи массового перехода ММС на последовательные интерфейсы, стал переход на шину VME64х – тоже параллельную, но работающую на более высокой тактовой частоте за счёт использования обратно совместимого с классической VME штекерного разъёма с пятью рядами контактов, что обеспечивает лучшее экранирование сигналов и, соответственно, более высокую скорость передачи данных, а кроме того, дополняет системы VME возможностью использования плат ввода-вывода с задней стороны шасси.

В настоящее время рост требований к производительности и пропускной способности ММС на базе шины VME также привёл к переходу на последовательные интерфейсы передачи данных в спецификациях VXS и VPX, также поддерживаемых ассоциацией VITA (рис. 7).

Стандарт VXS является гибридным и представляет собой сочетание классической параллельной шины VME64x с высотой модулей 6U с дополнительным разъёмом для последовательных интерфейсов передачи данных между модулями (топология «звезда» и «двойная звезда») со скоростью до 10 Гбит/с.

Самая современная спецификация VITA – VPX, основанная только на последовательных дифференциальных каналах передачи данных (LVDS), использует специальный пластинчатый разъём с высоким уровнем экранирования и защиты, а также определяет стойкость к механическим (удары и вибрации) воздействиям и предполагает использование как воздушного, так и кондуктивного охлаждения.

Таким образом, ММС на основе спецификации VPX могут работать в самых жёстких условиях внешней среды (рис. 8).

Основные характеристики системных шасси VME, VXS и VPX от Schroff:

• широкий ассортимент системных шасси модулей высотой 3U и 6U на базе блочных каркасов (для установки в 19-дюймовый шкаф) или настольных корпусов;

• поддержка спецификаций системы VMEbus, VME64x, VXS и VPX;

• усиленные варианты исполнения шасси для работы в условиях воздействия ударов и вибраций, высоких и низких температур и мощных электромагнитных помех;

• широкий ассортимент аксессуаров, таких как передние панели, воздушные барьеры, зажимы Card Lock для систем с кондуктивным охлаждением, блоки питания;

• системы управления для шасси VPX в виде мезонинных модулей, соответствующих спецификации ANSI/VITA 46.11-2015.

Объединительные платы для ММС

Компания Schroff предлагает широкую номенклатуру объединительных плат для ММС всех популярных стандартов, перечисленных выше, которые разрабатывает и производит собственными силами. Поэтому, кроме стандартных плат, она может разработать и изготовить индивидуальные объединительные платы по техническому заданию клиента, в том числе платы с водоотталкивающим покрытием, стойким к образованию конденсата внутри шасси при перепадах температур.

Кроссплаты Schroff поддерживают исключительную целостность сигнала и рассчитаны на самые высокие скорости передачи данных (рис. 9).

Основные характеристики объединительных плат от Schroff:

• кроссплаты стандартов AdvancedTCA и MicroTCA с пропускной способностью до 100 Гбит/с с высокой целостностью передачи сигнала;

• широкий ассортимент стандартных кроссплат CompactPCI Serial и Com-pactPCI разрядностью 32 и 64 бита высотой 3U и 6U с различным количеством слотов;

• специальные версии PSB и H.110 для коммуникационных приложений, а также индивидуальные варианты объединительных плат;

• семейство объединительных плат PXI с мостами PCI-to-PCI, коммутаторами PCIe и модулями сигналов синхронизации для многоканальных измерительных систем;

• широкий ассортимент объединительных плат VME и VME64x с различным количеством слотов и в разных версиях для плат 3U и 6U;

• объединительные платы VPX и VXS для приложений в соответствии с новейшими спецификациями VITA;

• кроссплаты питания для установки блоков питания с резервированием.

Системы управления шасси – ключ к построению надёжных ММС высокой готовности

Многие приложения в различных отраслях, таких как телекоммуникации, ИТ-инфраструктура и оборонные технологии, требуют применения вычислительных систем с высоким коэффициентом готовности и/или с функциями непрерывного мониторинга их текущего состояния и управления работой аппаратной платформы.

Функции системы управления аппаратной платформой (шасси) включают инвентаризацию оборудования (какие платы и на каких местах установлены в шасси), а также постоянный сбор и анализ данных о режимах его работы, включая температурный режим и характеристики по питанию (напряжение и потребляемый ток).

Это позволяет своевременно выявлять отклонения этих параметров от нормальных значений и применять как внутренние контрмеры (например, увеличивать скорость вращения вентиляторов при перегреве), так и внешние – сообщать о нештатных ситуациях на верхний уровень управления.

Как правило, каждая плата в такой системе оснащена локальным контроллером на самой плате, который может передавать данные контроллеру более высокого уровня – системе управления шасси (Shelf Management), которые, в свою очередь, передают их на верхний уровень, позволяя внешнему системному менеджеру просматривать эти данные и при необходимости реагировать на их изменения.

Компания Schroff предлагает системы управления шасси для ММС высокой готовности стандартов Advanced-TCA, MicroTCA и VPX от компании Pigeon Point (также входящей в концерн nVent), которые широко используются ведущими компаниями по всему миру и представляют собой надёжные и эффективные по стоимости системы управления шасси, применяемые как в стандартных, так и в индивидуализированных для конкретного проекта ММС.

Основные характеристики систем управления шасси (Shelf Management) от Schroff/Pigeon Point:

• готовые к использованию контроллеры шасси для систем AdvancedTCA (например, SHMM-700R) (рис. 10) и VPX VITA 46.11 (CHMM-700R);

• комплекты разработчика контроллеров систем управления шасси стандартов AdvancedTCA, MicroTCA и VPX, которые разрабатываются силами клиентов и включают в себя контроллер, встроенное программное обеспечение, плату-носитель и базовый комплект документации;

• обширная документация и техническая поддержка в течение одного года с возможностью продления поддержки.

Разработка индивидуальных шасси для ММС под ключ

Компания Schroff имеет многолетний опыт разработки и производства индивидуализированных шасси для ММС и их отдельных элементов (например, кроссплат) по техническому заданию клиента (рис. 11). 

Инженеры Schroff готовы подключаться к проекту на любом этапе, начиная от выбора подходящей технологии (стандарта) для ММС и заканчивая контролем качества в процессе серийного производства и послепродажным обслуживанием, при этом все процессы разработки и производства проходят под одной крышей, что ускоряет и повышает их эффективность. Широкое использование современных методов компьютерного моделирования на этапе разработки изделия, таких как:

• тепловое моделирование (расчёт системы охлаждения);

• моделирование схем для активных цепей, таких как контроллеры вентиляторов;

• моделирование целостности сигнала объединительной платы,

позволяет оптимизировать конструкторские решения, что также ускоряет разработку и гарантирует максимальную эффективность конечного изделия. В рамках индивидуально спроектированного решения уделяется большое внимание не только технической начинке изделия, но и его дизайну (цвет окраски, форма, логотипы), который может соответствовать всем пожеланиям клиента.

Готовые системы подвергаются расширенным внутренним испытаниям по проверке конструкции, таким как:

• проверка механических допусков;

• функциональные тесты;

• тепловые измерения на механическом образце;

• испытания на электромагнитную совместимость;

• климатические испытания;

• испытания на акустический шум;

• проверка защиты IP;

• измерение целостности сигнала;

• расчёт наработки на отказ.

Испытания проводятся как в собственных лабораториях компании Schroff, так и в сторонних сертификационных и испытательных центрах.

Все производственные процессы в Schroff соответствуют требованиям к качеству в соответствии с нормами DIN EN ISO 9001:2008, DIN EN ISO 14001:2004, OHSAS 18001:1999 и многими другими. После производства каждого изделия проводится тщательная проверка качества. Это гарантирует, что ни один продукт не будет поставлен клиентам без 100% проверки.

Заключение

Развитие современных технологий, таких как широкополосный доступ в Интернет, сети связи стандартов 4G/5G, граничные и облачные вычисления, автономный транспорт и др., обеспечивает быстрый рост объёмов передаваемых данных на всех уровнях инфраструктуры сети, что обеспечивает высокий спрос на устройства их обработки, важное место среди которых занимают высокопроизводительные магистрально-модульные вычислительные системы. Использование высоких компетенций компании Schroff в разработке и производстве решений для построения современных ММС позволяют её клиентам в полной мере соответствовать вызовам быстро растущего рынка. ●

Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail: info@prosoft.ru