十年磨一劍-CompactPCI與AdvancedTCA發(fā)展綜述
李濤 2005/04/28
一、十年 -- CompactPCI與AdvancedTCA綜述
1、CompactPCI技術(shù)
從1994年到2004年,CompactPCI技術(shù)已經(jīng)10歲了。經(jīng)過這十年風(fēng)風(fēng)雨雨的洗禮,CompactPCI規(guī)范已經(jīng)由當(dāng)年孤零零的PICMG2.0單一規(guī)范,發(fā)展到如今擁有二十多個個性鮮明的兄弟姐妹的規(guī)范群體;而CompactPCI技術(shù)也由當(dāng)初的"養(yǎng)在深閨無人識",發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)可以大規(guī)模成批量地應(yīng)用于很多行業(yè)。
十年的發(fā)展與演變,CompactPCI令人感嘆,更令人興奮!曾經(jīng)有人斷言,并行總線的發(fā)展應(yīng)經(jīng)到了盡頭,CompactPCI技術(shù)的路會越走越窄;也有人說CompactPCI不過是工業(yè)計算機(jī)的一個昂貴替代品;然而時至今日,縱觀CompactPCI技術(shù)的發(fā)展,這些論斷多少顯得有些幼稚可笑。CompactPCI的路不僅沒有越走越窄,反而越走越寬:PICMG在修正原有規(guī)范的同時,不斷地將最先進(jìn)的成熟技術(shù)納入CompactPCI的規(guī)范體系,最大限度地發(fā)揮CompactPCI平臺所蘊(yùn)含的巨大威力;從Hot
Swap到Multi-computing,;從PMC到CompactPCI Bridging; 從Power Interface到System
Management;從H.110 CTbus到包交換背板支持Gigabit Ethernet以及StarFabric,對于行業(yè)工程師而言,一個普遍感覺是CompactPCI可以做越來越多的事情,是一項前途無量的技術(shù)!而對于設(shè)備制造商來說,令人振奮的是似乎CompactPCI技術(shù)每發(fā)展一步,都會幫助他們解決一些平臺方面的問題,從而使得他們可以用更短的TTM(Time
To Market),獲取更大的市場份額。
現(xiàn)如今CompactPCI技術(shù)已經(jīng)在工業(yè)控制領(lǐng)域,數(shù)據(jù)通訊以及網(wǎng)絡(luò)處理領(lǐng)域取得了很廣泛的應(yīng)用,越來越多的工程師開始認(rèn)識到這項技術(shù)的優(yōu)越性;而隨著CompactPCI設(shè)備成本的不斷下降,其在各行各業(yè)的應(yīng)用規(guī)模必然不斷擴(kuò)大,我們有理由期待屬于CompactPCI的一個輝煌前景!
2、AdvancedTCA技術(shù)
毋庸置疑,十年來CompactPCI技術(shù)取得了充分的發(fā)展和長足的進(jìn)步。但同時在某些行業(yè)應(yīng)用中,CompactPCI也暴露出一些弱點(diǎn)和不足之處。在電信領(lǐng)域,CompactPCI
并不成功,僅在一些邊緣應(yīng)用(如增值業(yè)務(wù))中獲得一些份額,而核心的運(yùn)營商級應(yīng)用全是專有設(shè)備(Propriatary Equipment)的天下,你幾乎看不到CompactPCI的影子。
為什么呢?比較一下當(dāng)前電信設(shè)備的要求與CompactPCI規(guī)范,答案很明顯:
電信設(shè)備要求:
- 大容量,高密度:單臺設(shè)備可帶用戶數(shù)量越大越好。因此電信設(shè)備的板卡面積都遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CompactPCI的6U×160mm,以容納更多的集成電路芯片。
- 高性能,高速計算:一些采用新一代集成電路技術(shù)的CPU功耗已高達(dá)70W,而一張板卡擁有兩顆甚至3顆不同的CPU已不稀奇。在這種情況下,CompactPCI規(guī)范已不適用。
- 高帶寬,高速傳輸:即使是CompactPCI帶寬的理論值:500Mbytes/s也遠(yuǎn)低于高速電信設(shè)備的要求,2.5Gbps甚至10Gbps的傳輸速度已經(jīng)開始進(jìn)入人們的視線。
其它方面比如系統(tǒng)管理以及支持光纖等多種接口的Rear I/O定義等方面,CompactPCI規(guī)范也難以滿足電信設(shè)備的要求。
在這種情況下,AdvancedTCA應(yīng)運(yùn)而生。如果說PICMG"十年磨一劍",那么這柄鋒利的寶劍就是集萬千寵愛于一身的AdvancedTCA。PICMG充分考慮了電信行業(yè)的要求及特點(diǎn),精心為其量身定做了AdvancedTCA--高級電信計算平臺。其特點(diǎn)如下:
- 在結(jié)構(gòu)上AdvancedTCA與CPCI、VME一樣,都遵循成熟的IEC60297標(biāo)準(zhǔn)。
- AdvancedTCA采用先進(jìn)的Piont to Piont Switched Fabric 結(jié)構(gòu),支持多種高速串行通信技術(shù)。
- AdvancedTCA的板卡面積約為CPCI板卡面積的2.5倍,而且板卡寬度也加大到1.2"(比CPCI寬0.4"),這使得單張板卡容納多顆CPU成為可能,使得CPU帶大功率散熱片成為可能,使得大容量RAM成為可能,因此AdvancedTCA板卡可以支持電信設(shè)備大容量、高密度的要求。
- AdvancedTCA允許每一張板卡的功耗高達(dá)200W,并可以有效地為其散熱,整個AdvancedTCA SHELF的散熱能力高達(dá)3KW。開發(fā)工程師可以放心地選用高性能大功耗的CPU。
- AdvancedTCA擁有先進(jìn)的完善的系統(tǒng)管理功能,開發(fā)工程師可以非常方便地對每一張板卡以及SHELF內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。而且AdvancedTCA可以支持多個系統(tǒng)控制器以冗余方式工作,極大地保證了系統(tǒng)管理的安全可靠性。
我們再回過頭來看看用戶對AdvancedTCA的反應(yīng):
- 對于電信運(yùn)營商而言,在dvancedTCA出現(xiàn)之前,幾乎所有的電信設(shè)備都是專有設(shè)備(Propriatary Equipment),不同廠家的設(shè)備互不兼容,不可替換,一旦選定一家廠商的設(shè)備,就要面臨第二次投資,極大地造成資源浪費(fèi)!電信運(yùn)營商為此苦不堪言,一種嶄新地專用于電信設(shè)備的高性能通用平臺顯然符合他們的愿望。
- 對于電信設(shè)備制造商而言,他們也在渴望一種通用系統(tǒng)平臺,可以幫助他們有效地將多種應(yīng)用技術(shù)都統(tǒng)一到這種通用平臺上面,從而極大地節(jié)省了研發(fā)和生產(chǎn)的成本,大大縮短新技術(shù)的TTM(Time
To Market),增強(qiáng)他們的競爭力。
AdvancedTCA正是這樣的通用系統(tǒng)平臺,它凝聚了多方面關(guān)注的目光,象一顆光芒四射的新星正在冉冉升起,走向?qū)儆谒妮x煌!
二、 AdvancedTCA 核心技術(shù)
作為新一代電信網(wǎng)絡(luò)的高性能計算平臺,AdvancedTCA融合了很多國際先進(jìn)技術(shù),在計算性能,網(wǎng)絡(luò)傳輸能力,管理性能等方面都比原有計算架構(gòu)具有明顯的優(yōu)勢。AdvancedTCA的核心技術(shù)分析如下:
1. Point-to-Point Switched Fabric 點(diǎn)對點(diǎn)交換結(jié)構(gòu)
這是一種全新的數(shù)據(jù)連接結(jié)構(gòu),在這種"交換結(jié)構(gòu)"的支持下,任何一次數(shù)據(jù)釋放,不管它在哪一個連接器的哪一個Pin,都有一條單向的數(shù)據(jù)通路通向任何它想去的連接器的任何Pin。這種數(shù)據(jù)連接是通過一種交換元件動態(tài)地對數(shù)據(jù)通路進(jìn)行連接和斷開,從而實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸。
AdvancedTCA Fabric 接口信道是建立在LVDS(低壓差分信號)差分對基礎(chǔ)之上,電氣特性需求是建立在3.125GHz 信號基礎(chǔ)之上。數(shù)據(jù)編碼使用8b/10b
編碼機(jī)制 。AdvancedTCA A中兩塊板卡的基本連接單元稱作通路,一個通路由4個端口組成,每個端口又由兩對差分信號組成,構(gòu)成了AdvancedTCA
Fabric 接口的最小連接單元。端口的兩對差分信號被映像成一收一發(fā)的傳輸模式。下圖描繪了一個差分對、一個端口、以及一個通路的針腳分布。
Switched Fabric按照拓?fù)涞牟煌,分為Dual Star(雙星型),Dual-Dual Star(雙-雙星型),F(xiàn)ull Mesh(全網(wǎng)狀)三種結(jié)構(gòu)。
A. Dual Star結(jié)構(gòu)
Dual Star是所有Switched Fabric中最基本的配置結(jié)構(gòu)。支持Dual Star的背板包括兩個Hub slot,其它的slot都作為Node
slot,如圖所示:
B. Dual-Dual Star結(jié)構(gòu)
Dual-Dual Star連接兩個獨(dú)立的且冗余的Fabric結(jié)構(gòu),Hub slot被指定位于邏輯slot 1,2,3&4。每一個Node
slot支持最少4個通道,每一個通道由8個差分傳輸對組成,這些通道連接所有的slot,組成Fabric接口。
C. Full Mesh結(jié)構(gòu)
全網(wǎng)狀背板提供slot與slot之間最大限度的連接。所有的slot都是相同的連接方式,并且可以支持交換板卡(Switch boards)或者節(jié)點(diǎn)板卡(Node
boards)。全網(wǎng)狀背板可以支持所有類型板卡并且兼容Multi-Fabric系統(tǒng)。
下圖是全網(wǎng)狀背板數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)示意圖
由下而上依次為:電源層,系統(tǒng)管理層,模擬測試總線,基本接口,更新總線,F(xiàn)ull Mesh Fabric接口。其中,系統(tǒng)管理總線基于IPMI,并設(shè)計為冗余使用,以確保系統(tǒng)管理安全可靠。系統(tǒng)管理總線可以是I2C總線,也可以是星型連接方式。基本接口則是一個雙星型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有冗余的交換slot和以太網(wǎng)BAST-T信號,在PICMG3.0中提供IP傳輸。
不管采用何種拓?fù)湫问,所有信號的連接與交換都要通過背板,因此背板的設(shè)計及工藝是至關(guān)重要的!信號完整性的考慮,EMC措施的適用,高速傳輸背板的設(shè)計經(jīng)驗(yàn),完整的背板測試手段…,這些都是決定系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵因素!例如威圖公司已經(jīng)生產(chǎn)出帶寬高達(dá)10Gbps的Full
Mesh背板,并且通過了嚴(yán)格的模擬測試。
2.AdvancedTCA Shelf的散熱技術(shù)
這應(yīng)該是AdvancedTCA各項技術(shù)中難度最大,最不易實(shí)現(xiàn)的一項技術(shù)了!PICMG3.0規(guī)定了單板熱量高達(dá)200W,單臺Shelf熱量高達(dá)3KW左右,如何有效散去這3KW熱量顯然是一個很大的挑戰(zhàn)!在這種情況下,只有全面的,綜合運(yùn)用各種手段的散熱方案才能解決問題:
a) 采用散熱能力強(qiáng),通風(fēng)量大的渦輪式風(fēng)機(jī),且可以支持智能化調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。
b) Shelf 整體設(shè)計充分考慮科學(xué)順暢的風(fēng)流通道,使得風(fēng)流可以得到正確引導(dǎo),沿著預(yù)先設(shè)計好的通道運(yùn)行。
c) 因?yàn)锳TCA板卡深度較大,需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計保證前端插卡有充分的冷卻風(fēng)流通過,使得板卡上的所有“熱點(diǎn)”都可以得到有效冷卻。
d) 需要做熱量以及風(fēng)流量的模擬測試,以確保ATCA Shelf的結(jié)構(gòu)滿足ATCA規(guī)范的散熱要求。
e) 還要考慮機(jī)柜的情況:當(dāng)機(jī)柜不封閉的情況下,風(fēng)冷方式可以勝任ATCA Shelf的散熱工作;當(dāng)機(jī)柜完全封閉的情況下,熱空氣很難及時排到機(jī)柜外面去,會造成熱空氣在機(jī)柜內(nèi)部循環(huán),導(dǎo)致環(huán)境溫度升高,這時風(fēng)冷已無法達(dá)到散熱目的,必須選用其它散熱方式,如液體冷卻。
A.威圖風(fēng)冷散熱技術(shù):
下面我們以威圖公司的13U AdvancedTCA Shelf為例來介紹ATCA的散熱技術(shù):
其技術(shù)規(guī)格如下:
Standard system Version VA-1 (Rittal ShMC)
- 19” x 13 U x 385 mm deep
- 14 x 6 HP for front boards and RTM
- 14 Slot backplane with bussed IPMI
- 4 x fan RiCool
- 2/4 PEM plugged at the rear
- Prepared for 2 x Rittal ShMC (rear)
- Interchangeable filter frame
其中4個渦輪式冷卻風(fēng)扇按照上下兩層排列,
將冷卻風(fēng)流自下而上吸入,從后面排出。
其風(fēng)流通道如圖所示:
根據(jù)13U ATCA Shelf,威圖公司做了熱量以及風(fēng)量的模擬分析:
Heat and Flow simulation per CFD
(Computational Fluid Dynamics)
<--圖片標(biāo)記5-->
Condition A: 4個Ricool Blowers 以75%的轉(zhuǎn)速運(yùn)行:
Condition B:3個Ricool Blower以100%轉(zhuǎn)速運(yùn)行:
根據(jù)試驗(yàn)的結(jié)果分析,威圖公司確定了其13U ATCA Shelf的整體設(shè)計,并確保其完全符合AdvancedTCA規(guī)范對散熱的要求。
B.威圖液體冷卻技術(shù)
液體冷卻技術(shù)適用范圍:
- 當(dāng)系統(tǒng)對散熱的要求甚至高于ATCA規(guī)范的定義(3KW/shelf)時
- 當(dāng)ATCA Shelf處于相對密閉的環(huán)境,或者存在溫度非常高的“熱點(diǎn)“區(qū)域時
- 當(dāng)客戶需要更加緊湊的ATCA Shelf(例如10U或更低..)時
液體冷卻技術(shù)圖解:
散熱原理: 由工業(yè)空調(diào)提供冷卻循環(huán)水,板卡上的“熱點(diǎn)”安裝液體散熱片,散熱片通過循環(huán)管道以及特殊連接器與背板連接,背板上由特殊連接器通過循環(huán)管道與工業(yè)空調(diào)的循環(huán)系統(tǒng)相連。板卡可以正常插拔,不會牽連循環(huán)管道。
用于連接冷卻循環(huán)水的特殊連接器:(如下圖示)
特點(diǎn): 使用蒸餾水,帶輸入輸出連接端子,安裝于背板上部Zone3區(qū)域。
液體冷卻技術(shù)圖示:
3.AdvancedTCA的其它核心技術(shù)還包括:電源管理,系統(tǒng)管理等,這里因?yàn)槠,不再一一介紹。
CompactPCI與AdvancedTCA的應(yīng)用介紹
A. CompactPCI應(yīng)用介紹:
作為高性能高可靠性的計算平臺,CompactPCI技術(shù)在很多行業(yè)都取得了廣泛的應(yīng)用,例如:電信增值業(yè)務(wù)包括彩鈴,彩話等,軍用通信系統(tǒng),海軍聲納探測設(shè)備,雷達(dá)監(jiān)測設(shè)備,實(shí)時機(jī)器控制設(shè)備,測量測控平臺,鐵道信號監(jiān)測系統(tǒng),航天航空領(lǐng)域,石油測井計算平臺等等。
下面以威圖公司的CompactPCI系統(tǒng)為例,介紹CompactPCI技術(shù)在行業(yè)中的應(yīng)用:
A. ComapctPCI在海軍聲納探測技術(shù)中的應(yīng)用:
系統(tǒng)要求:大容量CompactPCI系統(tǒng),背板可以支持20個DSP處理板卡,并保證充足的電力供應(yīng),足夠的散熱能力,以及穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
威圖配置:12U 20slot CompactPCI系統(tǒng),12個冷卻風(fēng)扇風(fēng)道自下而上,6顆250W CPCI 電源保證1500W的電力供應(yīng),同時支持5+1冗余。系統(tǒng)圖片如下圖:
該系統(tǒng)目前已通過海上試驗(yàn),威圖公司的CompactPCI系統(tǒng)以穩(wěn)定的性能保證了海上試驗(yàn)的最終成功。
B. CompactPCI在移動增值業(yè)務(wù)——彩鈴系統(tǒng)中的應(yīng)用
作為彩鈴系統(tǒng)中最重要的設(shè)備——Voice Processing Unit的計算平臺。
系統(tǒng)要求:支持8個slot CompactPCI插卡(其中語音卡7個),支持4個熱插拔SCSI硬盤,支持Raid 0,1,3,5;支持風(fēng)扇故障報警顯示,支持交流電源冗余雙輸入且保證1000W電力供應(yīng);系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
威圖配置:8 slot H.110 CompactPCI背板,2個熱插拔SCSI硬盤模組(每一組支持2個熱插拔SCSI硬盤),一個Raid
Controller支持Raid 0,1,3,5等,交流雙輸入模塊,4個250WCPCI電源支持3+1冗余。系統(tǒng)配置如下圖:
目前該系統(tǒng)已經(jīng)在現(xiàn)場運(yùn)行了一年半多的時間,威圖公司的CompactPCI系統(tǒng)以良好的質(zhì)量,穩(wěn)定的運(yùn)行獲得了用戶的一致好評。
B.AdvancedTCA應(yīng)用介紹:
AdvancedTCA的設(shè)計目的就是作為電信應(yīng)用的高級計算平臺,因此AdvancedTCA可以作為通用計算平臺在各種各樣的電信行業(yè)應(yīng)用中找到自己的位置,如下圖所示:
AdvancedTCA在電信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的位置如下圖所示:
下面通過威圖公司AdvancedTCA Shelf在電信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用來具體說明ATCA技術(shù)的巨大優(yōu)勢:
1. ATCA在流媒體/IPTV中的應(yīng)用:
在采用ATCA技術(shù)之前,流媒體處理平臺一般采用PC-server。一臺PC-server可以處理200個請求,系統(tǒng)集成商從運(yùn)營商那里得到300,000個請求的訂單,為滿足客戶要求,需要配置以下系統(tǒng):
1500 sets PC-server:For Example:Dell2850 2U
150個19“42U機(jī)柜:假設(shè)一個機(jī)柜安裝10個Dell2850
這意味著運(yùn)營商必須為這150個新增機(jī)柜準(zhǔn)備近300平方米面積的機(jī)房,這對于運(yùn)營商來說是非常非常高昂的成本,因此運(yùn)營商拒絕此方案。
而采用AdvancedTCA之后又如何呢?
一個ATCA board可以處理300個流媒體請求,一臺ATCA Shelf可以取代15臺PC-server,因此采用ATCA shelf作為流媒體處理平臺,只需要30多個機(jī)柜就可以了,這大大節(jié)省了運(yùn)營商的運(yùn)營成本,因而該方案受到他們的歡迎并被最終采納。
2.ATCA在GSM網(wǎng)絡(luò)基站控制器中的應(yīng)用
在采用ATCA技術(shù)之前,GSM基站控制器由3臺ETSI 機(jī)柜系統(tǒng)組成,總共約有200多塊處理板卡,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)冗繁復(fù)雜,單卡處理能力偏弱,而且系統(tǒng)總成本偏高。
后來客戶采用威圖公司的13U ATCA Shelf作為基站控制器的處理平臺,整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)大為簡化,只需要兩臺ATCA Shelf就可以代替原來的3臺機(jī)柜設(shè)備!
而且性能大為提高,穩(wěn)定性,可靠性都得到了極大的保證,并且有效地降低了成本。
隨著ATCA技術(shù)在電信行業(yè)影響日漸擴(kuò)大,ATCA在電信行業(yè)的應(yīng)用必然越來越廣泛。
威圖公司簡介:
威圖公司是一家來自德國的跨國公司,在全球擁有50家子公司,20家工廠(其中包括威圖在加拿大滑鐵盧地區(qū)的子公司Kaparel —— 著名的CompactPCI/AdvancedTCA廠商),共8000余名員工。主營產(chǎn)品一共分為七大類,其中CPCI/ATCA產(chǎn)品屬于其第二大類產(chǎn)品。威圖公司是PICMG(PCI工業(yè)計算機(jī)廠商聯(lián)盟)的主任委員,也是PICMG的發(fā)起者之一,是最“原始”的CPCI/ATCA廠商。威圖公司的CPCI/ATCA產(chǎn)品擁有多項獨(dú)特的專利技術(shù),并以開放式架構(gòu),兼容性好,配置靈活,定制性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而著稱于業(yè)界。公司內(nèi)有多名資深員工先后在PICMG,IEEE等國際標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范組織中擔(dān)任要職;谌绱诵酆竦膶(shí)力,威圖公司可以在第一時間內(nèi)提供最先進(jìn)的,符合PICMG最新規(guī)范的CPCI/ATCA產(chǎn)品。
PICMG/P.R.C 供稿 CTI論壇編輯
相關(guān)鏈接: