MicroTCA: пора двигаться дальше

В индустрии промышленной автоматизации и встраиваемых компьютерных технологий накоплен немалый опыт применения магистрально-модульных систем стандарта MicroTCA. Первоначально архитектура MicroTCA была задумана как дополнение к технологии AdvancedTCA, стандартизованной в рамках консорциума PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) в конце 2002 года и ориентированной на высокопроизводительные телекоммуникационные приложения операторского класса, предъявляющие высочайшие требования к надежности аппаратных средств. Однако потенциал, заложенный в стандарте MicroTCA, неминуемо должен был обратить на себя внимание и вне рамок телекоммуникационной отрасли, что в итоге и произошло — системы MicroTCA стали шире применяться на смежных рынках, в том числе в оборонных и аэрокосмических приложениях, а также в промышленности, энергетике, медицине. Одним из основных факторов этой экспансии стало появление ряда новых стандартов для систем MicroTCA жесткого исполнения, предназначенных для создания стационарных и мобильных систем, работающих в расширенном температурном диапазоне и в условиях с повышенным уровнем вибраций.

Рис. 1. Рынок процессорных плат AMC

По прогнозу аналитического агентства VDC Research, объем продаж процессорных модулей AMC (Advanced Mezzanine Card) в период с 2010 по 2015 год увеличится более чем в 2,5 раза и превысит 186 млн долл (рис. 1). Появление стандарта MicroTCA придало мощный импульс развитию данного сегмента рынка. В этом стандарте модули AMC определены как функциональные платы, подключаемые непосредственно к объединительной панели (в отличие от систем AdvancedTCA, где им отведена роль мезонинных плат расширения для ATCA-модулей и специальных плат-носителей).

Ключевым фактором развития рынка аппаратных средств MicroTCA сегодня является продолжение экспансии в те сферы применения, где наряду с компактностью оборудования требуется высокая надежность, малое время восстановления систем, а также большая вычислительная мощность.

Дороги эволюции

Разработка стандарта MicroTCA стала очередной ступенью развития унифицированных спецификаций магистрально-модульных архитектур, утверждаемых консорциумом PICMG, в рамках которого в 1995 году была ратифицирована спецификация стандарта CompactPCI, совместившего принятые тогда принципы проектирования промышленных компьютерных систем с преимуществами технологий ПК и рабочих станций, оснащенных параллельной шиной PCI.

Доминирующее положение на рынке телекоммуникационных решений на тот момент занимали закрытые частно-фирменные решения, однако открытый международный стандарт CompactPCI способствовал преодолению этого барьера. Со временем возможности параллельной шины PCI в ряде отраслей, в первую очередь телекоме, перестали удовлетворять растущим потребностям в пропускной способности системного интерфейса.

Ответом на этот вызов стал новый стандарт AdvancedTCA, обеспечивший качественный скачок производительности за счет использования высокоскоростных последовательных интерфейсов. Популярность AdvancedTCA в телекоммуникационной индустрии росла довольно быстро, однако сравнительно высокая стоимость мешала таким системам проникать на смежные рынки, поэтому идея реализовать архитектурные достоинства AdvancedTCA в более компактных форм-факторах выглядела логично и решала эти проблемы.

Базовая спецификация MTCA.0, оформившая эту идею в виде открытого международного стандарта, была утверждена в 2006 году (табл. 1). В иерархической структуре стандартов PICMG она фигурирует как дополнение к стандарту PICMG 3.0 — базовой спецификации AdvancedTCA (к настоящему времени ее 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, регламентируя механические, электрические и термальные параметры их основных компонентов, а также используемые интерфейсы, механизмы обслуживания систем и работу подсистемы электропитания. Сначала этого было достаточно для создания решений офисного класса, ориентированных на использование в качестве периферийных составляющих телекоммуникационных инфраструктур. Затем, чтобы удовлетворить растущий интерес заказчиков, представляющих такие смежные рынки, как промышленность, оборонный комплекс, энергетика, потребовалась разработка вариантов стандарта, адаптированных к более жестким эксплуатационным условиям.

В 2009 году 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 устойчиво работать при низких и высоких температурах (в наиболее жестких вариантах исполнения до -40 и +80°C соответственно), выдерживать 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).

Еще два варианта спецификаций MicroTCA ратифицированы консорциумом PICMG в 2011 году. Спецификация MTCA.3, распространяющаяся на системы жесткого исполнения с кондуктивным охлаждением для коммерческих и оборонных приложений, отличается еще более высокими требованиями к эксплуатационным условиям. К примеру, максимальная сила удара, который должны выдерживать работающие системы оборонного назначения, доходит до 40g, а защита от электростатического разряда — до 15 кВ.

Спецификация MTCA.4, утвержденная в 2011 году, открывает следующую фазу процесса развития стандарта. Эксплуатационные условия в основном аналогичны MTCA.0. Но 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 — автоматизация исследований в области ядерной физики, требующих обработки гигантских потоков данных. Однако, хотя после принятия стандарта MTCA.4 прошло меньше года, уже рассматриваются варианты использования систем на его основе в телекоммуникационных, оборонных и иных проектах.

Некоторая задержка возникла только со стандартом MTCA.2. На данный момент его спецификация еще окончательно не утверждена консорциумом PICMG. Как и MTCA.3, стандарт MTCA.2 описывает системы жесткого исполнения для коммерческих и оборонных приложений. Отличие между ними состоит в том, что в MTCA.2 рассматриваются системы не с кондуктивным, а с воздушным охлаждением. Выбор технологии охлаждения по сути и определяет конструктивные особенности систем MTCA.2.

Коротко о плюсах

К главным достоинствам архитектуры MicroTCA относят широкие возможности для реализации высокопроизводительных систем на базе современных многоядерных процессоров. Полный отказ от параллельных шин в пользу последовательных внутрисистемных интерфейсов обеспечивает лучшую масштабируемость, позволяя наращивать производительность увеличением количества процессорных модулей AMC. Одной из характерных черт этой технологии являются гибкие коммутационные возможности. Роль коммутатора в системах MicroTCA играет контроллер MCH (MicroTCA Controller Hub) — отдельный модуль AMC, устанавливаемый в специальный слот объединительной панели (или размещенный на самой объединительной панели). В соответствии со стандартом MTCA.0 контроллер MCH поддерживает различные высокоскоростные последовательные интерфейсы внутрисистемных коммуникаций.

В MicroTCA предусмотрена возможность резервирования всех критически важных компонентов, в том числе MCH. Этим системы на основе MicroTCA выгодно отличаются, скажем, от стоечных коммуникационных серверов операторского класса, где обычно дублируются только источники питания либо резервируется вся серверная система.

К числу важнейших особенностей MicroTCA относится поддержка модулями питания и средствами управления «горячей замены» модулей AMC. 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 время замены. Подача питания остальным компонентам системы при этом не прекращается, что может быть критически важным для специальных и ответственных приложений.

Системы MicroTCA имеют поддержку интеллектуального управления на базе архитектуры IPMI (Intelligent Platform Management Interface). Применение механизмов интеллектуального управления IPMI позволяет существенно сократить среднее время до восстановления работоспособности после возникновения отказа — MTTR (Mean Time To Restoration), одно из основных требований ответственных приложений, требующих высокого коэффициента готовности.

Еще одно немаловажное достоинство — наличие на рынке широкой номенклатуры совместимых модулей AMC, выпускаемых различными производителями. Наряду с процессорными платами и модулями графического вывода информации в их число также входят модули цифровой обработки сигналов (DSP), накопителей данных, ввода/вывода, а также специализированных модулей для конкретных задач.

Не следует забывать и о том, что преимуществом MicroTCA является и сам по себе открытый международный стандарт.

Возможности рынка

Утвердив спецификации систем MicroTCA жесткого исполнения, консорциум PICMG дал «зеленый свет» выходу этой технологии на новые рынки. Однако доминирующей областью ее применения пока по-прежнему остаются системы для построения сетевых и коммуникационных инфраструктур.

К новым, наиболее перспективным сегментам рынка, где востребована технология MicroTCA, аналитики VDC относят оборонные и аэрокосмические приложения, медицину, а также системы промышленной автоматизации. Помимо этого, технология MicroTCA имеет хорошие перспективы развития в энергетике, на транспорте (в том числе для информационно-развлекательных систем), в системах безопасности и ряде других областей.

Сегодня оборудование MicroTCA широко используется в оборонных приложениях в составе радарных и гидролокационных комплексов, а также в системах подвижной связи. Согласно данным британской компании BAE Systems, системы MicroTCA повышенной защищенности уверенно выдерживают жесткие условия тестовых испытаний, эквивалентные 25-летнему циклу работы на наземных объектах подвижной связи оборонного назначения.

Архитектура MicroTCA остается сегодня практически безальтернативным выбором для периферийных систем мобильных сетей следующего поколения, поскольку только она позволяет обеспечить необходимую пропускную способность, компактность и надежность. Имеющийся сейчас опыт практического применения технологии MicroTCA в транспортной сфере охватывает проекты по автоматизации управления пассажирскими и грузовыми перевозками, по созданию пассажирских информационных систем в городском наземном транспорте и поездах, а также по реализации инфраструктурных решений для обеспечения мобильной связи на транспорте.

К достоинствам такого подхода относятся сокращение времени разработки и снижение конечной стоимости создаваемых продуктов. Технология MicroTCA обеспечивает 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.

В настоящее время как на мировом, так и на российском рынке имеется огромный выбор аппаратных средств MicroTCA, а одним из лидеров в этой области, по мнению аналитиков VDC Research, является компания Kontron, входящая в консорциум PICMG.

Базовая система Kontron OM6120 высотой 5U, выполненная в соответствии со стандартом MTCA.0, может использоваться для широкого спектра телекоммуникационных приложений, а также в системах промышленной автоматизации и в медицине. Интегрированная платформа Kontron OM6120 допускает установку стандартных модулей AMC средней, одинарной или удвоенной ширины. Поскольку ее ширина меньше половины ширины стандартной 19-дюймовой серверной стойки, в одном ярусе такой стойки можно смонтировать два шасси Kontron OM6120, что позволяет разместить на одной полке высотой 5U до 24 модулей AMC.

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 (можно использовать также PCI Express, Serial RapidIO и 10-Gigabit Ethernet).

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. В базовой комплектации платформа OM6120 поставляется с двумя блоками питания от сети переменного тока и двумя недорогими MCH-контроллерами Kontron AM4901. Она может быть доукомплектована вычислительными модулями AMC на базе многоядерных процессоров Intel (уже анонсированы платы Kontron с недавно дебютировавшими на рынке процессорами Intel Core третьего поколения) 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).

Рис. 2. Процессорная плата Kontron AM5030 на основе Intel Xeon LC5518 может применяться в составе защищенных систем MicroTCA c воздушным охлаждением

Из процессорных плат Kontron, предлагаемых заказчикам как самостоятельные продукты или в качестве опций при поставках интегрированных платформ MicroTCA, можно рассмотреть модуль AM5030, обеспечивающий серверный уровень вычислительной производительности и надежности при невысоком энергопотреблении (рис. 2). В стандартном варианте это устройство выполнено на основе четырехъядерного 45-нанометрового процессора для встраиваемых систем Intel Xeon LC5518 с пониженным тепловыделением и чипсетом Intel 3420. Коммуникационные возможности процессорного модуля AM5030 включают поддержку внутрисистемных интерфейсов PCI Express x 4, Gigabit Ethernet и 10-Gigabit Ethernet. На фронтальную панель выведены интерфейсы 2xUSB 2.0, RS-232, 2х1000BASE-TX, VGA. Поддержка функций интеллектуального управления IPMI 2.0 реализована при помощи управляющего контроллера NXP LPC2368 с архитектурой ARM7.

Рис. 3. Специализированный вычислительный модуль Kontron AM4220 на основе 12-ядерного процессора Octeon Plus CN5650 800 МГц

Примером специализированных вычислительных модулей, предлагаемых Kontron, может служить плата AM4220 на основе 12-ядерного MIPS-процессора Octeon Plus CN5650/800 МГц компании Cavium Networks, предназначенного для широкого круга приложений, включая высокоскоростные маршрутизаторы, унифицированные системы защиты от сетевых угроз, пакетную обработку данных и шифрование в сетевых средах (рис. 3).

В стандартном варианте на плате AM4220 размещается 2 Гбайт ECC-памяти DDR2-800 и 128 Мбайт флэш-памяти NAND. Модуль AM4220 поддерживает внутрисистемный интерфейс PCI Express x4 и Gigabit Ethernet (передачу служебной информации, необходимой для загрузки и обслуживания системы, по каналам). Для внешних коммуникаций используются два слота для модулей SFP+, обеспечивающих подключение к сетям 10-Gigabit Ethernet.

***

Задуманный как некое дополнение к AdvancedTCA, стандарт MicroTCA сегодня продолжает развиваться — появление новых спецификаций, рассчитанных на системы жесткого исполнения, позволило существенно расширить круг потенциальных заказчиков, не теряя при этом уже сложившуюся клиентскую базу. Продукты, представленные на рынке, позволяют создавать разнообразные по функциональности и конфигурациям системы MicroTCA для телекоммуникационных приложений нового поколения и для иных сфер применения. Системными интеграторами и разработчиками решений, в том числе и в России, накоплен достаточно большой опыт внедрения и использования технологии MicroTCA, который должен в ближайшие годы стать рычагом для дальнейшего подъема рынка систем MicroTCA. В этой связи отечественным разработчикам отказоустойчивых систем для телекоммуникационных и иных приложений следует обратить более пристальное внимание на технологию MicroTCA и в большей степени ориентироваться не на собственные адаптированные решения, а на стандартные коммерческие продукты категории COTS (Commercial Off-The-Shelf).

Владимир Бретман (pr@rtsoft.ru) — директор направления базовых аппаратных средств компании «РТСофт» (Москва).