ПРЕСС-ЦЕНТР

MicroTCA: опыт накоплен, нужно двигаться дальше

МКА:ВКС №4/12

Владимир Бретман, ЗАО «РТСофт»

Оправдывая ожидания аналитиков и специалистов, магистрально-модульные системы в стандарте MicroTCA всё шире используются как в телекоммуникационной индустрии, с которой этот стандарт имеет глубокие родственные связи, так и в других сферах, включая оборонные и аэрокосмические приложения, а также энергетику, промышленность и медицину. Стандарт MicroTCA всё ещё сравнительно молод, тем не менее к сегодняшнему дню накоплен уже достаточно серьёзный опыт разработки и внедрения подобных систем во всех перечисленных областях. И в соответствии с логикой развития рынка этот опыт сегодня во многом определяет вектор дальнейшего продвижения вперёд и является залогом его успеха.

Архитектура MicroTCA изначально разрабатывалась в качестве дополнения к технологии AdvancedTCA, предназначенной для телекоммуникационных приложений операторского класса с высочайшими требованиями к интенсивности передачи и обработки данных, а также надёжности оборудования. И практически с момента появления на рынке первых продуктов, выполненных в соответствии с новой спецификацией, к ним было приковано повышенное внимание. Причиной тому стало исключительно удачное сочетание архитектурных достоинств самого стандарта (общая производительность, пропускная способность каналов связи и гибкость их выбора, возможности мультипроцессорной обработки и механизмов коммутации, функции управления и обслуживания систем, резервирование и горячая замена устройств и т. д.) с компактностью и сравнительно невысокими ценовыми характеристиками продуктов на его основе. При дальнейшей доработке стандарта, следуя запросам со стороны рынка, в первую очередь было уделено внимание расширению возможностей применения систем MicroTCA в различных жёстких условиях эксплуатации. И таким образом по сути была окончательно оформлена «переквалификация» MicroTCA из разряда спецификаций, ориентированных прежде всего на узкий круг телекоммуникационных приложений, в открытый системный стандарт широкого профиля.

Многие специалисты с самого начала предрекали системам MicroTCA большое будущее, и сегодня можно уже смело говорить, что они не ошиблись. По свидетельству аналитиков, устойчивому росту рынка практически не помешал даже глобальный экономический кризис. Оптимистический характер носят и их прогнозы на ближайшую перспективу. Так, согласно прошлогоднему прогнозу VDC Research, совокупные среднегодовые темпы прироста (CAGR) объёмов продаж процессорных плат AMC (Advanced Mezzanine Card), возведённых стандартом MicroTCA в ранг самостоятельных функциональных модулей, подключаемых напрямую к объединительной панели (в отличие от систем AdvancedTCA, где модули AMC играют роль плат расширения, для установки которых необходимы специальные платы-носители), в период до 2015 года включительно составят более 20%. И в результате рынок этих плат с 69,1 млн долл. по итогам 2010 года к 2015 году вырастет более чем в 2,5 раза – до 186,3 млн долл. (рис. 1). Основным стратегическим фактором, определяющим рост рынка устройств MicroTCA на данном этапе, аналитики считают укрепление позиций в тех областях применения, где компактность оборудования необходимо сочетать с повышенной надёжностью в жёстких условиях эксплуатации. В числе других факторов отмечаются дальнейшее повышение общей производительности обработки данных (здесь аналитиками особо выделяется значимость высокоскоростных последовательных интерфейсов) и поддержка технологий распределённых периферийных вычислений.

Рис. 1. Мировой рынок процессорных плат AMC в 2010-2015 гг. (млн долл.)

Рис. 1. Мировой рынок процессорных плат AMC в 2010–2015 гг. (млн долл.)

Ступени эволюции

Появление унифицированных спецификаций MicroTCA (см. таблицу) можно считать закономерным результатом эволюции магистрально-модульных архитектур, разрабатываемых под эгидой международного консорциума PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group). В 1995 году в рамках этой организации был утверждён стандарт CompactPCI, совместивший принятые на тот момент основные принципы проектирования компьютерных систем для промышленного применения с преимуществами технологий настольных ПК и рабочих станций с шиной PCI. Одной из главных движущих сил распространения этого стандарта стала индустрия телекоммуникаций, развитие которой на тот момент существенно сдерживалось тем, что на рынке практически безраздельно господствовали закрытые частнофирменные решения.

Семейство стандартов MicroTCA

Стандарт

Название (англ.)

Текущая версия

Дата утверждения

Статус

Описание

MTCA.0

MicroTCA

Rev 1.0

Июль 2006 г.

Принят

Базовые принципы архитектуры

MTCA.1

Air Cooled Rugged MicroTCA

Rev 1.0

Март 2009 г.

Принят

Защищённые системы с воздушным охлаждением для приложений внешнего и мобильного базирования

MTCA.2

Hardened Air Cooled MicroTCA

Rev 1.0

Уточняется

В разработке

Системы повышенной защищённости с воздушным охлаждением для оборонных и коммерческих приложений

MTCA.3

Hardened Conduction Cooled MicroTCA

Rev 1.0

Февраль 2011 г.

Принят

Системы повышенной защищённости с кондуктивным охлаждением для оборонных и коммерческих приложений

MTCA.4

MicroTCA Enhancements for Rear I/O and Precision Timing

Rev 1.0

Август 2011 г.

Принят

Системы с тыльными интерфейсными модулями MicroRTM

С началом использования технологии CompactPCI развитию отрасли был придан мощный импульс, и через некоторое время выяснилось, что возможности параллельной шины PCI уже не вполне отвечают стремительно растущим потребностям телекоммуникационных приложений в наращивании пропускной способности. Ответом на этот вызов стал стандарт AdvancedTCA, ратифицированный консорциумом PICMG в 2002 году. Сохранив определённую преемственность по отношению к CompactPCI, архитектура AdvancedTCA обеспечила телекоммуникационным решениям качественный скачок производительности за счёт использования высокоскоростных последовательных интерфейсов.

Популярность систем AdvancedTCA в телекоммуникационной индустрии росла довольно быстро, однако их проникновению на смежные рынки мешала сравнительно высокая стоимость. Поэтому идея реализовать архитектурные достоинства AdvancedTCA в более компактных формфакторах выглядела довольно логично. К тому же платы расширения AMC, концепцию применения которых в системах AdvancedTCA позаимствовали из архитектуры CompactPCI (там они носят название PMC – PCI Mezzanine Card), по производительности и функциональности сначала приблизились, а потом и вовсе начали теснить функциональные модули CompactPCI. Так что и идея использовать модули AMC в качестве самостоятельных функциональных плат в системах MicroTCA также, что называется, витала в воздухе.

Базовая спецификация MTCA.0, оформившая обе вышеупомянутые идеи в виде открытого международного стандарта, была утверждена в 2006 году. В иерар­хической структуре стандартов PICMG эта специ­фикация фигурирует как дополнение к стандарту PICMG 3.0 – базовой спецификации AdvancedTCA (к настоящему времени её текущим вариантом является версия 3.0, принятая в 2008 году). Кроме того, в MTCA.0 отдельно оговорено полное соответствие стандарту AMC.0 – общему для модулей AMC (текущая версия – 2.0, утверждена в 2006 году).

Спецификация MTCA.0 формирует фундамент для реализации систем MicroTCA, включая механические, электрические и термальные параметры их основных компонентов, а также используемые интерфейсы, механизмы обслуживания систем и работу подсистемы электропитания. На первых порах этого было достаточно для создания решений офисного класса, ориентированных на использование в качестве периферийных составляющих телекоммуникационных инфраструктур. Чтобы удовлетворить растущий интерес со стороны заказчиков, представляющих смежные рынки (в частности, промышленность, оборонный комплекс, энергетику и т. д.), потребовалась разработка вариантов стандарта, адаптированных к более жёстким эксплуатационным условиям.

В 2009 году была утверждена спецификация MTCA.1, регламентирующая характеристики систем с воздушным охлаждением для телекоммуникационных приложений мобильного и наружного базирования. Системы, выполненные в соответствии с этой спецификацией, должны поддерживать устойчивую работу при низких и высоких температурах (в наиболее жёстких вариантах исполнения до –40°C и +80°C соответственно), удар силой до 25g и синусоидальные вибрации амплитудой до 3g. Кроме того, от систем MTCA.1 в рабочем режиме требуется выдерживать и случайные вибрации класса V2 (амплитуда до 8g) по шкале спецификации VITA 47 международной ассоциации VITA (VMEbus International Trade Association), которая также принята в качестве стандарта институтом ANSI (American National Standards Institute).

Ещё два варианта стандартных спецификаций MicroTCA были ратифицированы в рамках консорциума PICMG в 2011 году. Вначале была утверждена спецификация MTCA.3, распространяющаяся на системы для жёстких условий эксплуатации с кондуктивным охлаждением для коммерческих и оборонных приложений. Этот вариант стандарта отличают ещё более высокие требования к эксплуатационным условиям, которые должны выдерживать системы с наивысшим уровнем защиты от воздействий внешних факторов. К примеру, максимальная сила удара, который должны выдерживать системы оборонного назначения в рабочем состоянии, по стандарту MTCA.3 доходит до 40g. Конструкция этих систем должна обеспечивать защиту от электростатического разряда напряжением до 15 кВ. Кроме того, от систем, соответствующих спецификации MTCA.3, требуются способность функционировать на высоте свыше 18 км над уровнем моря (для обычных систем MicroTCA достаточно 4 км) и устойчивость в рабочем режиме к случайным вибрациям класса V3 (амплитуда до 12g) по шкале стандарта VITA 47.

Вторая спецификация, утверждённая в 2011 году, носит наименование MTCA.4. Этот документ несколько выбивается из общего тренда доработки стандарта MicroTCA, как бы открывая следующую фазу данного процесса. Эксплуатационные условия для систем, которые он описывает, в основном, аналогичны MTCA.0. В то же время реализация этих систем содержит ряд архитектурных и конструктивных новаций. К ним, в частности, относятся возможности использовать интерфейс 40 Gigabit Ethernet для внутрисистемных коммуникаций и тыльные интерфейсные модули RTM (Rear Transition Module), подключаемые непосредственно к платам AMC с помощью шины I2C (в стандарте MTCA.4 эти модули называются MicroRTM). Исходное предназначение систем MTCA.4 – исследования в области ядерной физики, требующие обработки гигантских потоков данных. Однако в прошлом мы уже неоднократно наблюдали ситуации, когда интерес к открытому стандарту перспективной высокопроизводительной архитектуры перерастает рамки того достаточно узкого круга заказчиков, которым он изначально адресован. Вот и сейчас, хотя после принятия стандарта MTCA.4 прошло меньше года, уже достаточно активно рассматриваются варианты использования систем на его основе в телекоммуникационных, оборонных и иных проектах.

Некоторая заминка возникла только со стандартом MTCA.2. На момент завершения работ над данным материалом эта спецификация всё ещё не была окончательно утверждена консорциумом PICMG. Аналогично MTCA.3 стандарт MTCA.2 также описывает системы для жёстких условий эксплуатации для коммерческих и оборонных приложений. Отличие между этими двумя спецификациями состоит в том, что в стандарте MTCA.2 рассматриваются системы не с кондуктивным, а с воздушным охлаждением. Выбор технологии охлаждения определяет главным образом конструктивные особенности систем MTCA.2. При этом эксплуатационные условия, которым они должны отвечать, судя по предварительным версиям стандарта, аналогичны MTCA.3.

Ещё раз коротко о плюсах

Имеющийся опыт проектирования и внедрения систем MicroTCA показывает: сильные стороны этой технологии уже хорошо изучены разработчиками решений и системными интеграторами. Поэтому, не вдаваясь в излишние подробности, кратко остановимся на основных плюсах MicroTCA.

Самым главным достоинством архитектуры MicroTCA считаются широкие возможности для реализации высокопроизводительных систем на базе современных многоядерных процессоров. При этом полный отказ от параллельных шин в пользу последовательных внутрисистемных интерфейсов обеспечивает этим системам также и масштабируемость, позволяя наращивать общую производительность простым увеличением количества процессорных модулей AMC. Здесь необходимо подчеркнуть, что многие производители уже анонсировали платы AMC с недавно представленными процессорами Intel Core третьего поколения на основе микроархитектуры Ivy Bridge (техпроцесс 22 нм с использованием транзисторов с трёхмерной структурой).

Одна из характерных черт технологии MicroTCA – гибкие коммутационные возможности. Роль коммутатора в системах MicroTCA играет контроллер MCH (MicroTCA Controller Hub) – это, как правило, отдельный модуль AMC, устанавливаемый в специальный слот объединительной панели (в некоторых случаях MCH может быть интегрирован на самой объединительной панели). В соответствии со стандартом MTCA.0 функциональные возможности этого контроллера реализуют поддержку различных вариантов топологии внутрисистемных коммуникаций. Сильная сторона MicroTCA – возможность полного резервирования всех критически важных компонентов, в том числе – и самого MCH. Этим решения на основе MicroTCA отличаются, скажем, от стоечных коммуникационных серверов операторского класса, которые обычно позволяют дублировать только источники питания (либо можно резервировать всю серверную систему целиком – с использованием отдельного коммутатора и внешнего сетевого соединения). Системы CompactPCI, выполненные в соответствии со стандартом PICMG 2.16, по возможностям резервирования могут быть аналогичны MicroTCA. Однако фактически на рынке представлен сравнительно небольшой спектр таких продуктов, и стоимость их довольно велика, что не позволяет успешно конкурировать с оборудованием MicroTCA. Заметим также, что дополнительную гибкость коммутационной архитектуре MicroTCA придают определённые стандартом возможности использования различных высокоскоростных последовательных интерфейсов (в частности, PCI Express, Serial Rapid IO и 10Gigabit Ethernet).

К числу важнейших и наиболее примечательных особенностей MicroTCA относится поддержка модулями питания и управляющими механизмами «горячей замены» модулей AMC. Сходный механизм был в своё время реализован и в системах CompactPCI, однако в архитектуре MicroTCA он выполнен надёжнее, удобнее и полнее. Замена модуля AMC в системе MicroTCA никак не влияет на работу других модулей. Базовая спецификация MTCA.0 предписывает исключать заменяемый модуль из общей схемы подачи питания на всё то время, пока идёт процесс его замены. Подача питания остальным компонентам системы при этом не прекращается, и соответственно их работа не прерывается, что может быть критически важным для различных специальных и ответственных приложений.

По сравнению с CompactPCI в системах MicroTCA сделан шаг вперёд и в отношении поддержки функций интеллектуального управления на базе архитектуры IPMI (Intelligent Platform Management Interface). В технологии CompactPCI эти функции реализованы только для систем формфактора 6U, и, как показывает практика, пользоваться ими не слишком удобно. Применительно к системам MicroTCA поддержка IPMI, как и в случае с функцией «горячей замены», также регламентируется базовой спецификацией MTCA.0 и обеспечивает постоянный мониторинг параметров работоспособности всех ключевых компонентов. Сведения об этом выводятся на дисплей, и таким образом персоналу предоставляется возможность не только оперативно реагировать на возникновение какой-либо неисправности, но и заранее принимать меры по замене оборудования, состояние которого свидетельствует о приближающемся выходе из строя. Применение механизмов интеллектуального управления IPMI позволяет существенно сократить среднее время до восстановления работоспособности после возникновения отказа – MTTR (Mean Time To Restoration), один из основных параметров пригодности для ответственных приложений, требующих высокого коэффициента готовности.

Ещё одно немаловажное достоинство систем MicroTCA – широкая номенклатура модулей AMC, выпускаемых для них. Наряду с процессорными платами и модулями графического вывода информации в их число также входят модули цифровой обработки сигналов (DSP), накопителей данных, ввода-вывода и т. д. Кроме того, производителями предлагаются и специализированные модули для конкретных задач (например, пакетной обработки данных), выполненные на основе соответствующих процессоров.

Наконец не следует забывать о том, что преимуществом MicroTCA является и сам по себе открытый международный стандарт. Он не только гарантирует совместимость продуктов различных производителей (что в свою очередь обеспечивает пользователям большую свободу выбора), но и создаёт определённый задел на будущее, поскольку в русле дальнейшего развития унифицированных спецификаций отчётливо просматриваются перспективы модернизации ранее установленных заказчиками систем.

Что показывает опыт

Утвердив спецификации систем MicroTCA для жёстких условий эксплуатации, консорциум PICMG дал «зелёный свет» выходу этой технологии на новые рынки. Однако доминирующей областью её применения пока по-прежнему остаются системы для построения сетевых и коммуникационных инфраструктур. По данным прошлогоднего отчёта VDC Research, на их долю в 2010 году пришлось 77% от общего объёма продаж процессорных плат AMC. По мере освоения новых вертикальных рынков роль коммуникационных приложений на рынке плат AMC, по прогнозам VDC, будет несколько размываться. К 2013 году их доля должна понизиться до 67%, но при этом пока всё же останется преобладающей над остальными сферами применения, причём с внушительным запасом.

К наиболее перспективным сегментам для технологии MicroTCA аналитики VDC относят оборонные и аэрокосмические приложения, а также системы промышленной автоматизации. На их долю в 2010 году пришлось соответственно 11% и 8% от общего объёма продаж процессорных модулей, то есть они уже оказывают заметное влияние на рынок оборудования MicroTCA. И это влияние, как ожидается, в ближайшее время будет расти – соответственно до 13% и 11% в 2013 году. Помимо двух указанных сегментов, по мнению аналитиков, технология MicroTCA имеет хорошие шансы развить свой успех в таких областях применения, как энергетика, транспорт (в том числе – информационно-развлекательные системы для пассажиров), электронные системы безопасности и видеонаблюдения, решения для медицинских организаций, автоматизация розничной торговли, а также цифровые системы оповещения и рекламы.

Копилка опыта практического применения технологии MicroTCA продолжает регулярно пополняться, и посильный вклад в эту коллекцию знаний вносят все перечисленные области. Так, в оборонных структурах оборудование MicroTCA широко используется в составе радарных и гидролокационных комплексов, а также в системах подвижной связи. Согласно данным британской компании BAE Systems, специализирующейся в области разработки электронных систем для аэрокосмических и оборонных приложений, системы MicroTCA повышенной защищённости уверенно выдерживают жёсткие условия тестовых испытаний, эквивалентные 25-летнему циклу работы на наземных объектах подвижной связи оборонного назначения. По мнению многих специалистов, архитектура MicroTCA в полной мере отвечает современному пониманию концепции «сетецентрических войн», составляя достойную конкуренцию системам VPX, также ориентированным на применение в оборонном комплексе.

Телекоммуникационными операторами в настоящее время активно разрабатываются проекты, связанные с вводом в эксплуатацию мобильных сетей следующего поколения (в частности, на базе технологии LTE). Для периферийных систем таких сетей архитектура MicroTCA оказывается на сегодня практически безальтернативным выбором, поскольку только она позволяет обеспечить необходимую этим системам повышенную пропускную способность при сравнительно невысокой стоимости и полном соответствии традиционно жёстким требованиям, касающимся компактности, управляемости и защиты оборудования от воздействий внешней среды. На рис. 2 показан пример построения периферийного фрагмента мобильной сети следующего поколения с использованием систем MicroTCA с кондуктивным охлаждением для приложений внешнего и мобильного базирования: Kontron OM5030 в качестве аппаратных средств базовых станций и платформа операторского класса Kontron OM5080, на основе которой реализуется функциональность шлюза доступа или контроллера радиосети.

Рис. 2. Пример построения периферийного фрагмента мобильной сети следующего поколения с использованием систем Kontron OM5030 и OM5080

Рис. 2. Пример построения периферийного фрагмента мобильной сети следующего поколения с использованием систем Kontron OM5030 и OM5080

В промышленности и энергетике системы MicroTCA сегодня находят всё более широкое применение в составе мультимониторных комплексов автоматизированных рабочих мест (АРМ) в диспетчерских центрах. Как правило, подобного рода решения рассматриваются в качестве недорогой альтернативы или дополнения для больших диспетчерских экранов коллективного пользования. Возможности коммутационной архитектуры MicroTCA при этом не только обеспечивают требуемую скорость вычислений и графического вывода информации, но и позволяют наращивать общую производительность системы по мере необходимости.

Постепенно растёт востребованность технологии MicroTCA и в проектах, относящихся к медицинской сфере. В особенности это касается задач обработки изображений, связанных с манипулированием большими потоками данных. Системы, предназначенные для таких задач, могут быть выполнены либо с помощью аппаратных средств MicroTCA, либо в виде пула из нескольких обычных серверов в стандартном конструктиве. Каждый из этих вариантов имеет свои достоинства – технология MicroTCA обеспечивает лучшую масштабируемость (за счёт более тесного взаимодействия между процессорными модулями с использованием высокоскоростных внутрисистемных интерфейсов) и более высокую вычислительную плотность при меньшем энергопотреблении и наличии функций активного управления электропитанием, расширяющих возможности энергосбережения.

Имеющийся на сегодняшний день опыт практического применения технологии MicroTCA в транспортной сфере охватывает проекты по автоматизации управления пассажирским грузовым и транспортом, созданию пассажирских информационных систем в городском наземном транспорте и железнодорожных поездах, а также реализации инфраструктурных решений для обеспечения мобильной связи на транспорте. На рис. 3 показана общая схема вариантов использования систем MicroTCA повышенной защищённости типа Kontron OM5030 на подвижных объектах транспортного хозяйства. В число этих вариантов входят, в частности, системы телеметрии, видеонаблюдения, обработки видеопотоков и т. д.

Рис. 3. Общая схема вариантов использования систем MicroTCA повышенной защищённости типа Kontron OM5030 на подвижных объектах транспортного хозяйства

Рис. 3. Общая схема вариантов использования систем MicroTCA повышенной защищённости типа Kontron OM5030 на подвижных объектах транспортного хозяйства

В целом необходимо отметить, что для отечественных разработчиков отказоустойчивых систем для телекоммуникационных и иных приложений пришло время обратить более пристальное внимание на технологию MicroTCA и в большей степени ориентироваться не на кастомизированные решения, а на стандартные коммерческие продукты категории COTS (Commercial Off-The-Shelf), к числу которых относится оборудование MicroTCA. К достоинствам такого подхода относятся, в частности, сокращение времени разработки систем (этому способствует большой выбор на рынке стандартных совместимых модулей высокого качества, а также базового ПО) и снижение конечной стоимости систем, поскольку использование готового стандартного COTS-оборудования и ПО позволяет уменьшать затраты на разработку и обслуживание. Кроме того, технология MicroTCA поддерживает хорошую масштабируемость и удобна в тех случаях, когда системы необходимо модифицировать или модернизировать. Это продлевает срок актуальности решений на базе MicroTCA и в конечном итоге обеспечивает сохранение инвестиций как для разработчиков, так и для заказчиков. К факторам исключительной важности для многих заказчиков также относятся высокая надёжность и малое время восстановления систем MicroTCA после отказа, что обусловлено модульным принципом построения этих систем и наличием подсистемы диагностики с поддержкой функций интеллектуального управления IPMI.

Что предлагает Kontron

В настоящее время как на мировом, так и на российском рынке имеется огромный выбор аппаратных средств MicroTCA. Одним из бесспорных лидеров в этой области является компания Kontron, в продуктовой линейке которой представлен большой спектр базовых блоков и систем MicroTCA. По данным VDC Research, эта компания в последние годы неизменно входит в тройку лидеров мирового рынка оборудования MicroTCA. Компания Kontron является также полноправным членом консорциума PICMG, принимая активное участие в выработке стандартов этой организации.

Поэтому в качестве характерных образцов современных аппаратных средств MicroTCA уместно рассмотреть некоторые из текущего поколения продуктов Kontron.

Базовая система Kontron OM6120 высотой 5U, выполненная в соответствии со стандартом MTCA.0, позиционируется как мощное, но вместе с тем компактное и недорогое решение, которое может использоваться для широкого спектра телекоммуникационных приложений (включая мультисервисные проекты), а также в системах промышленной автоматизации и в медицинской сфере. Интегрированная платформа Kontron OM6120 допускает установку стандартных модулей AMC средней толщины (mid-size) и одинарной (single-width) или удвоенной ширины (double-width). Если используются только модули одинарной ширины, общее их количество может достигать 12 (рис 4). Таким образом, поскольку ширина платформы меньше половины ширины стандартной 19-дюймовой серверной стойки, в одном ярусе такой стойки можно смонтировать два крейта Kontron OM6120, что позволяет получить на одной полке высотой 5U до 24 модулей AMC.

Рис. 4. Шасси Kontron OM6120 допускает установку до 12 модулей AMC одинарной ширины

Рис. 4. Шасси Kontron OM6120 допускает установку до 12 модулей AMC одинарной ширины

При использовании двух контроллеров MCH все модули AMC подключаются к ним по схеме «двойная звезда». Базовым интерфейсом внутрисистемных коммуникаций при таком подключении считается Gigabit Ethernet (в иных вариантах можно использовать также PCI Express, Serial RapidIO и 10 Gigabit Ethernet). Особенности внутрисистемной топологии в сочетании с двухрядным размещением модулей AMC позволяют применять двухканальные архитектуры с использованием арбитража или контрольными точками для согласования работы двух каналов.

Топография распределения портов и использование тактовых генераторов на объединительной панели OM6120 соответствуют рекомендациям альянса производителей сетевого оборудования SCOPE. Это позволяет синхронизировать работу процессорных модулей с внутренним или внешним тактовым генератором для таких приложений, как обработка данных в режиме реального времения или управление роботами.

На объединительной панели реализованы также механизмы управления электропитанием и вентиляторами, что вкупе с использованием вставных блоков питания, выполненных в формфакторе полноразмерного модуля AMC двойной ширины, способствует снижению общей стоимости платформы.

Корпус OM6120 имеет кубическую форму. Его внутреннее пространство эффективно используется для размещения модулей AMC, не требуя каких-то особых ухищрений для их охлаждения. Шасси платформы имеет съёмные монтажные кронштейны и стенки. Наверху может быть установлена дополнительная вентиляторная панель. Существуют также специальные подставки для настольного варианта установки OM6120, что делает данную платформу удобной для различных лабораторных задач.

В базовой комплектации платформа OM6120 поставляется с двумя блоками питания от сети переменного напряжения и двумя недорогими MCH-контроллерами Kontron AM4901. По желанию заказчика система может быть доукомплектована вычислительными модулями AMC на базе многоядерных процессоров Intel (в том числе – уже анонсированы платы Kontron с недавно дебютировавшими на рынке процессорами Intel Core третьего поколения, поставки их должны начаться в третьем квартале текущего года) либо Freescale (с архитектурой PowerPC). Готовая платформа поставляется заказчику как полностью сконфигурированное и протестированное решение в комплекте с ОС Windows, Red Hat Linux или ОС реального времени VxWorks компании WindRiver (с 2009 года – подразделение Intel).

В качестве опции для систем OM6120 предлагается также MCH-контроллер Kontron AM4910, реализующий коммутацию каналов 10 Gigabit Ethernet на уровне 2 (канальный уровень) сетевой модели OSI. При необходимости, если это требуется по условиям проекта, устройство может быть выполнено в виде маршрутизирующего коммутатора уровня 3 (сетевой уровень).

Управляющие функции AM4910 обеспечивает 32-битный RISC-процессор PPC405-EX с тактовой частотой 600 МГц. Помимо него, контроллер также содержит 512 Мбайт памяти DDR2-400 с контролем и коррекцией ошибок (ECC), 64 Мбайт флэш-памяти NOR (для размещения микропрограммного обеспечения и конфигурационных данных) и 1 Гбайт флэш-памяти NAND (используется в качестве накопителя приложениями, работающими по протоколу TFTP). На передней панели размещены два слота для модулей SFP+, обеспечивающих внешние сетевые подключения 10 Gigabit Ethernet.

Непосредственно за коммутирующие функции устройства отвечает микросхема Broadcom BCM56820 – Ethernet-коммутатор с поддержкой соединений 10 Gigabit Ethernet и механизмов обеспечения качества обслуживания QoS (Quality of Service). Функции интеллектуального управления, соответствующие спецификации IPMI 1.5, и частичная поддержка IPMI 2.0 реализованы с помощью встроенного микропрограммного обеспечения, включающего адаптированный для данного устройства вариант программных средств IPMItool.

Контроллер AM4910 выполнен в соответствии со спецификацией MTCA.0 с учётом требований приложений, характеризующихся высокой интенсивностью обмена данными. Поэтому он может применяться как в составе решений для телекоммуникационной сферы (в том числе – в системах мобильной связи 3G и LTE), так и в проектах оборонного и медицинского назначения, а также в контрольно-измерительных системах и в задачах, связанных с обработкой графических и видеоданных.

Из процессорных плат Kontron, предлагаемых заказчикам как самостоятельные продукты или опции поставки интегрированных платформ MicroTCA, можно выделить модуль AM5030, обеспечивающий серверный уровень вычислительной производительности и надёжности при невысоком энергопотреблении. В стандартном варианте это устройство выполнено на основе четырёхъядерного 45-нанометрового процессора для встраиваемых систем Intel Xeon LC5518 (микроархитектура Nehalem, тактовая частота 1,73 ГГц) с пониженным тепловыделением (TDP – 48 Вт) и чипсета Intel 3420. По желанию заказчика также возможно использование двухъядерного процессора Intel Xeon LC3528 (TDP – 35 Вт) или одноядерного Intel Xeon LC3518 (TDP – 23 Вт). Подсистема памяти AM5030 в типовых конфигурациях имеет трёхканальную архитектуру, в которой на каждый канал приходится по одному сверхнизкопрофильному (VLP) модулю DDR3-1066 с контролем и коррекцией ошибок (ECC). Общий объём памяти при этом может составлять 6, 12 или 24 Гбайт. Кроме того, на плате может быть установлено до 32 Гбайт флэш-памяти NAND, использующейся в качестве SATA-накопителя.

Коммуникационные возможности процессорного модуля AM5030 включают поддержку внутрисистемных интерфейсов PCI Express (в конфигурации x4), Gigabit Ethernet и 10Gigabit Ethernet, что обеспечивает сочетаемость с MCH-контроллером AM4910, и двух внешних сетевых соединений Gigabit Ethernet. Кроме того, со стороны передней панели доступны два разъёма USB 2.0, разъём типа RJ45 для соединений с использованием последовательного интерфейса RS-232 и выход для подключения монитора с аналоговым интерфейсом. Поддержка функций интеллектуального управления IPMI 2.0 реализована в AM5030 при помощи управляющего контроллера NXP LPC2368 с архитектурой ARM7. По желанию заказчика возможна установка криптопроцессора, выполненного в соответствии со спецификацией TPM 1.2. Согласно документации, модуль AM5030 (рис. 5) разработан с учётом требований стандартов MTCA.0 и MTCA.1, т. е. может применяться в составе защищённых систем MicroTCA c воздушным охлаждением.

Рис. 5. Процессорный модуль Kontron AM5030 на основе Intel Xeon может использоваться в составе защищённых систем MicroTCA c воздушным охлаждением

Рис. 5. Процессорный модуль Kontron AM5030 на основе Intel Xeon может использоваться в составе защищённых систем MicroTCA c воздушным охлаждением

Среди специализированных вычислительных модулей, предлагаемых Kontron, выделим плату AM4220 на основе 12-ядерного процессора Octeon Plus CN5650 (тактовая частота – 800 МГц) компании Cavium Networks. Это 64-разрядный процессор архитектуры MIPS, выполненный по принципу «Система-на-кристалле» (SoC) и предназначенный для широкого круга приложений, включая высокоскоростные маршрутизаторы, унифицированные системы защиты от сетевых угроз, пакетную обработу данных и шифрование в сетевых средах.

В стандартном варианте на плате AM4220 размещается 2 Гбайт ECC-памяти DDR2-800 и 128 Мбайт флэш-памяти NAND. Опционально может быть установлен низкопрофильный USB-накопитель на основе флэш-памяти NAND объёмом 4 или 16 Гбайт. Модуль AM4220 поддерживает внутрисистемный интерфейс PCI Express x4 и передачу служебной информации, необходимой для загрузки и обслуживания системы, по каналам Gigabit Ethernet. Для внешних коммуникаций используются два слота для модулей SFP+, обеспечивающих подключение к сетям 10Gigabit Ethernet. На лицевую панель также вынесен разъём RJ45, реализующий при помощи стандартного Ethernet-кабеля соединение с терминалом для внешнего управления процессором Octeon Plus CN5650 по интерфейсу RS-232. Встроенное микропрограммное обеспечение модуля AM4220 поддерживает функции интеллектуального управления IPMI 1.5.

Отметим также, что данный модуль AMC разработан с учётом требований к системам, соответствующим третьему уровню американского телекоммуникационного стандарта NEBS (Network Equipment-Building System), и рассматривается главным образом как составная часть решений для операторов мобильной связи. В качестве возможных вариантов применения фигурируют базовые приёмо-передающие станции, узлы поддержки GPRS, контроллеры радиосетей, медиашлюзы и другие приложения для систем операторского класса.

Заключение

Задуманный как попытка производителей систем AdvancedTCA выйти на новые рынки, стандарт MicroTCA на сегодняшний день достиг поставленных перед ним на начальном этапе целей и продолжает развиваться. Появление новых спецификаций, рассчитанных на системы, предназначенные для работы в жёстких условиях эксплуатации, позволило существенно расширить круг потенциальных заказчиков, не теряя при этом уже сложившуюся клиентскую базу. Как отмечают специалисты в области систем промышленной автоматизации и встраиваемых систем, нынешние требования рынка во многом совпадают с характеристиками систем MicroTCA (высокая производительность, масштабируемость и пропускная способность внутрисистемных соединений, гибкая коммутационная архитектура, возможности горячей замены и резервирования компонентов, функции интеллектуального управления и т. д.). И это не может не вселять уверенность в будущем данной технологии.

При этом нужно отметить, что продукты, представленные сейчас на рынке, позволяют создавать разно­-образные по составу и свойствам конфигурации систем MicroTCA как для телекоммуникационных приложений нового поколения, так и для иных сфер применения, включая оборонные и медицинские структуры, транспортное хозяйство, промышленные предприятия, энергетический комплекс и т. д.

С момента ратификации базовой спецификации MTCA.0 консорциумом PICMG прошло шесть лет, и это время не прошло даром. Важно ещё раз подчеркнуть, что системными интеграторами и разработчиками решений, в том числе – в России, накоплен достаточно большой опыт внедрения и использования технологии MicroTCA. Этот опыт и должен стать тем рычагом, который обеспечит дальнейший подъём рынка систем MicroTCA в соответствии с прогнозами аналитиков в ближайшие годы.