임베디드 컴퓨팅 설계 결정을 위한 두 가지 탁월한 옵션

[테크월드=김경한 기자] 수년 만에 처음으로 두 가지 컴퓨터 온 모듈(Computer-on-Module) 폼 팩터 옵션인 COM-HPC 클라이언트(Client)와 COM 익스프레스(Express) 타입(Type) 6에서 사용할 수 있는 하이엔드 임베디드 프로세서가 공개된다. 11세대 인텔 코어(Intel Core) 프로세서(코드명 타이거 레이크)는 개발자에게 프로젝트 요구 사항에 가장 근접한 폼 팩터를 결정할 수 있는 기회를 제공한다.

새로운 질문

COM 익스프레스는 높은 사양의 임베디드 컴퓨팅 분야를 주도해 왔다. 하지만 COM-HPC의 등장으로 이제 차세대 고사양의 임베디드 프로젝트를 시작하려는 모든 이에게 새로운 질문이 제기되고 있다. 한 가지 질문은 COM 익스프레스와 COM-HPC가 서로 경쟁하는지 여부다. 답은 ‘아니다’로 귀결된다. 각 폼 팩터의 규격이 서로를 보완하도록 설계됐기 때문에 두 폼 팩터 모두 11세대 인텔 코어 프로세서를 사용한다.

또 다른 질문은 두 개의 새로운 선택지로써 기존의 COM 익스프레스를 유지하면서 확장할 것인지, 새로운 캐리어 보드도 설계해야 하는 새 표준 모듈로 전환할 지의 여부다. 확장이나 전환의 결정은 특히 지금까지 COM 익스프레스에 의존해 온 개발자와 관련이 깊다. 

이런 개발자들은 궁금해할 것이다. COM-HPC의 시작은 COM 익스프레스의 단종을 예고하는 것일까? COM 익스프레스는 언제까지 계속 사용할 수 있을까? 지금 COM-HPC로 전환해야 할까? 아니면 기다려도 될까? 또 다른 고려 사항은 COM-HPC로 전환할 때 OEM과 고객의 경쟁적 위치에 어떤 영향을 미치는가 하는 것이다. 이런 질문에 답하려면 COM-HPC 클라이언트 모듈의 장점과 COM 익스프레스 타입 6 모듈과의 차이점을 아는 것이 중요하다.

‘베이직’과 ‘사이즈 A’: 근소한 풋프린트 차이

COM-HPC 클라이언트는 COM 익스프레스 타입 6처럼 PICMG 컴퓨터 온 모듈 사양이다. 이는 새로운 COM-HPC 표준의 일부다. 또한, COM-HPC 서버 모듈의 사양도 스펙상 존재하지만, 서버지향적이고 헤드리스(headless)인 반면, COM 익스프레스 타입 6 모듈과 같은 COM-HPC 클라이언트 모듈은 그래픽을 지원하기 때문에 이 문서에서 다루지 않을 것이다. COM-HPC 클라이언트 모듈은 120X160mm(사이즈 C), 120X120mm(사이즈 B), 120X95mm(사이즈 A)의 세 가지 풋프린트로 제공된다. 따라서 가장 작은 COM-HPC 풋프린트는 125X95mm인 COM 익스프레스 베이직(Basic)과 거의 동일하다. 95X95mm인 COM 익스프레스 컴팩트(Compact)는 약 21% 더 작다. COM-HPC 사이즈 A 폼 팩터는 COM 익스프레스 베이직보다 단지 4% 더 작기 때문에 COM 익스프레스 베이직에서 COM-HPC 사이즈 A로 변경해도 풋프린트 측면에서는 문제가 없다.

크기 면에서 사이즈 B와 사이즈 C의 COM-HPC 클라이언트 모듈은 일반적으로 COM 익스프레스 타입 6 모듈보다 커서 COM 익스프레스로는 구현할 수 없는 고성능 애플리케이션을 처리할 수 있다. 

COM 익스프레스 베이직을 사용하는 개발자는 COM 익스프레스 컴팩트에서 사용할 수 있는 것보다 더 강력한 프로세서를 통합하기 위해 COM-HPC 클라이언트 사이즈 A 폼 팩터를 선택할 수 있다. 하지만 COM 익스프레스 컴팩트 사이즈 레이아웃에 대한 COM-HPC 클라이언트 옵션은 없다. 이것은 두 사양이 보완 옵션임을 분명히 보여준다.

더 높은 TDP 사양을 지원하는 COM-HPC

COM 익스프레스에 비해 더 큰 풋프린트 옵션을 제공하는 것처럼, COM-HPC 모듈은 일반적으로 더 높은 전력 허용치를 가진다. 최대 200W의 열 설계 전력(TDP)을 갖춘 COM-HPC 클라이언트 모듈은 가장 강력한 COM 익스프레스 타입 6보다 약 3배의 전력을 사용할 수 있다. 137W TDP가 상한인 COM 익스프레스 베이직과 비교하면 COM-HPC 클라이언트는 TDP는 46% 더 높다. 장기적으로 COM 익스프레스에서 허용하는 것보다 더 많은 TDP와 프로세서 성능이 필요한 개발자에게는 COM-HPC가 필수다.

11세대 인텔 코어 프로세서가 탑재된 새로운 15W급의 COM-HPC 사이즈 A 타입의 Conga-HPC/cTLU 모듈은 이전의 COM 익스프레스 모듈과 성능을 비교할 수 있다. 게다가, COM 익스프레스 설계자는 신호 핀 수에서 알 수 있듯이, COM-HPC가 COM 익스프레스 타입 6보다 훨씬 더 많은 데이터 대역폭을 제공하는 이점이 있음을 발견할 것이다.

핀 수를 거의 두 배로 늘려 대역폭 확대

COM 익스프레스 베이직 타입 6와 COM-HPC 클라이언트 사이즈 A 간의 추가적인 주요 차이점은 모듈과 캐리어 보드 사이의 핀의 개수다.

COM 익스프레스처럼 COM-HPC는 두 개의 커넥터를 기반으로 하지만 이제 각 COM HPC 커넥터에는 400개의 핀이 있다. COM 익스프레스의 두 개의 커넥터에는 각각 220개의 핀이 있다. COM-HPC는 800개의 신호 핀으로 확장해서 약 80% 더 많은 인터페이스를 연결할 수 있다.

최신 고속 인터페이스용으로 설계된 COM-HPC 커넥터는 PCIe 5.0과 25Gb/s 이더넷의 높은 클럭 속도와도 호환된다. 현재 COM 익스프레스는 호환 모드에서 PCIe 젠 3.0(Gen 3.0)과 PCIe 4.0으로만 확장돼 커넥터가 제한요소다. 따라서 COM 익스프레스 커넥터를 기계적으로 완전히 호환되지만 전자적으로 더 강력하고 PCIe 4.0과 호환되는 커넥터로 교체하려는 노력이 진행 중이다. 이 커넥터 교체는 COM 익스프레스의 미래를 위해 좋은 일이다.

사이즈에 따른 메모리 용량

COM-HPC와 COM 익스프레스는 모두 RAM 용량을 위해 SO-DIMM 또는 온-보드 메모리를 사용한다. 앞서 언급했듯이 COM 익스프레스 베이직과 COM-HPC 클라이언트 사이즈 A의 크기는 약간 다르다. COM 익스프레스 베이직은 RAM 용량이 현재 128GB에서 최대이며, COM-HPC 클라이언트 사이즈 A가 COM 익스프레스 베이직과 유사하다는 점을 고려할 때 사이즈 A의 RAM 용량은 비슷할 것이다. 

설계에 더 많은 RAM이 필요한 개발자는 더 큰 폼 팩터를 사용해야 한다. COM 익스프레스는 베이직 폼 팩터보다 더 큰 모듈 크기가 있지만 실제로는 RAM 증가와 거의 관련이 없다. 따라서 더 큰 모듈이 주로 COM-HPC 표준에 기초해 개발될 것으로 예상된다. 

또한, COM-HPC 서버 모듈이 대용량의 RAM을 사용하지 않는 중간 성능 서버 클래스까지의 솔루션을 다루기 때문에 관련된 개발을 바로 진행할 수도 있다. 완벽하게 8개의 SO-DIMM 메모리를 모듈에 장착할 수 있으므로 최대 1테라바이트의 RAM을 사용할 수 있다. 

새로 출시된 타이거 레이크 UP3 COM 익스프레스 타입 6 컴팩트와 COM-HPC 클라이언트 사이즈 A 모듈을 비교하면 후자가 더 많은 메모리를 사용할 수 있다. 그러나 스펙상 메모리는 사용하지 못하고, 두 모듈 모두 3200MT/s용 SO-DIMM 소켓 2개만 사용할 수 있으며, 각 32GB DDR4를 지원한다. 따라서 총 64GB RAM이다. 

이렇게 사용되지 않은 이유는 간단하다. 타이거 레이크 UP3가 더 많이 지원할 수 없기 때문이다. 다른 모든 사항이 동일할 때, 더 많은 RAM을 확보해야 한다면 COM 익스프레스 베이직 또는 COM HPC 사이즈 A보다 더 큰 폼 팩터를 선택해야 한다는 것을 의미한다. 그러나 메모리 밀도가 지속적으로 증가함에 따라 RAM 용량이 향후 다목적 애플리케이션에 대한 제한 요소가 될 가능성은 낮다.

동일한 그래픽, 새로운 오디오

그래픽 지원은 두 표준 모두 동일하다. COM-HPC 클라이언트와 COM 익스프레스 타입 6는 모두 3개의 디지털 디스플레이 인터페이스(DDI)와 1개의 임베디드 디스플레이포트(eDP)를 통해 최대 4개의 디스플레이를 지원한다. 멀티미디어 인터페이스의 경우 COM-HPC는 이전에 사운드와이어(SoundWire)로 COM 익스프레스에서 사용했던 HDA 인터페이스를 대체한다. 사운드와이어는 새로운 MIPI 표준으로 2개의 라인만 필요하며 최대 12.288MHz의 속도로 작동한다. 최대 4개의 오디오 코덱을 이 두 라인을 통해 병렬로 연결할 수 있으며, 각 코덱은 자체 ID를 수신해 평가할 수 있으므로 이는 사운드가 중요한 역할을 하는 애플리케이션에 플러스 요소다.

PCIe와 GbE 지원

COM 익스프레스 타입 6 모듈은 최대 24개의 PCIe 레인을, COM-HPC 클라이언트 모듈은 최대 49개를 지원한다. 그 중 1개의 COM-HPC 클라이언트 PCIe 레인은 캐리어 보드의 보드 관리 컨트롤러(BMC)와의 통신을 위해 따로 마련돼 있다.

COM-HPC 클라이언트 모듈 사양은 최대 2개의 25GbE KR- 또는 2개의 10GbE BaseT 이더넷 인터페이스를 제공한다. COM 익스프레스 타입 6는 최대 1개의 1 GbE를 지원하지만, 캐리어 보드의 PCIe를 통해 추가 네트워크 인터페이스를 확장할 수 있다. 그러나 최신 11세대 인텔 코어 프로세서의 모든 기능은 아직 모두 활용되지 않았다.

두 모듈 모두 주변 장치에 매우 높은 대역폭으로 연결하기 위한 PCIe x4 젠 4.0 인터페이스를 제공한다. 또한, 개발자는 두 모듈에서 8x PCIe 3.0 x1 레인을 사용할 수도 있다. 따라서 이런 점에서 프로세서 관련 차이는 없다. 그렇지만 COM-HPC 모듈은 2개의 2.5 GbE 기본 연결을 제공하는 반면, COM 익스프레스 모듈은 기본적으로 1개의 1 GbE만 지원한다. 따라서 COM 익스프레스 설계자는 COM-HPC 모듈과 동일한 2.5 GbE 기능을 제공하기 위해 캐리어 보드에 구성 요소를 설계하는 비용을 별도로 추가해야 한다.

두 모듈 모두 이더넷을 통한 TSN(Time-Sensitive Networking)을 지원한다. 따라서 2.5GbE는 COM-HPC 모듈에서만 사용할 수 있다는 점을 제외하면 PCIe와 GbE에 관련된 차이점은 현재 그다지 크지 않다.

높은 USB 대역폭과 기본 카메라 지원

더 빠른 새로운 USB 표준을 위해 설계된 COM-HPC 클라이언트는 최대 4개의 USB 4.0 인터페이스를 지원하고 4개의 USB 2.0으로 보완된다. 반면 COM 익스프레스 타입 6 모듈은 최대 4개의 USB 3.2와 8개의 USB 2.0을 사용할 수 있다. COM 익스프레스 타입 6 모듈보다 USB 2.0 포트가 4개 적지만, COM-HPC 클라이언트의 USB 4.0 전송 속도가 40Gbps이기 때문에 더 큰 대역폭을 제공한다.

COM-HPC는 기본적으로 최대 2개의 MIPI-CSI 인터페이스를 지원한다. 두 개의 인터페이스는 비용적으로 효율적일 뿐만 아니라 다양한 애플리케이션 유형에 카메라를 쉽게 내장하고 3D 비전을 구현할 수 있다. 두 개의 MIPI-CSI 인터페이스가 있는 모듈로 가능한 사용 사례에는 사용자 식별, 제스처 제어, 유지 관리를 위한 증강 현실이 포함된다. 비디오 감시, 광학 품질 보증, 자율 주행 차량을 위한 상황 인식, 협업 로보틱스 등도 가능한 영역이다. MIPI-CSI 인터페이스 지원은 분명히 COM-HPC의 강점이다. Conga-HPC/cTLU는 두 개의 MIPI-CSI 인터페이스를 제공한다. 또한, Conga-HPC/cTLU에는 타이거 레이크로 확장된 x86 명령어 세트인 AI/DL 명령어 세트, 벡터 신경망 명령어(VNNI) 지원·기능과 함께 Intel Xe 그래픽(12세대)이 새로운 프로세서에 내장됐고 최대 96개의 실행 유닛(Execution Unit)이 포함된다.

COM-HPC는 2개의 UART, 12개의 GPIO 등의 산업용 인터페이스와 함께 2개의 SATA 인터페이스를 추가로 제공해 기존 SSD와 HDD에 연결할 수 있으며, 2x I2C, SPI, eSPI로 산업용 인터페이스 세트가 완성된다. 전체적으로 COM-HPC 클라이언트의 기능은 COM 익스프레스 타입 6 모듈의 기능과 비슷하지만 CAN 버스 지원 옵션은 후자에서 사용할 수 있다.

경험에 비춰 보면 전환을 서두를 필요 없다

지금까지 설명한 COM-HPC 클라이언트와 COM 익스프레스 타입 6의 유사점과 차이점을 볼 때, 대부분의 설계는 적어도 앞으로 3~5년 동안 COM 익스프레스에 맞게 제공될 것으로 보인다. 이렇게 예측할 수 있는 또 다른 요소는 COM-HPC 클라이언트가 새로운 시스템 버스를 도입하지 않았다는 것이다. 이런 사실은 과거에 ISA에서 PCI로, PCI에서 PCI 익스프레스로 변경했을 때와는 다른 점이다. 그때는 새로운 핀아웃을 정의하는 것이 절대적으로 필요했다. COM 익스프레스 모듈이 2012년까지도 베스트셀러 모듈이었던 ETX 모듈을 대체하지 않았다는 점도 기억할 필요가 있다.

이는 ETX가 도입된 지 11년, COM 익스프레스 도입된 지 7년이 지난 시점이었다. 그리고 ETX 모듈은 오늘날에도 여전히 사용할 수 있다. PCIe 세대는 이전 버전과 호환되므로 PCIe 젠 4.0이 모든 프로세서 레벨에 걸쳐 자리를 잡은 이후에도 PCIe 3.0 설계는 오랫동안 유지될 수 있다. 디자인의 인터페이스 사양과 대역폭이 충분하면 전환할 필요가 없다.

COM-HPC는 누가 선택해야 할까?

모듈에서 기본적으로 지원하는 USB 4.0 대역폭, 2.5GbE, 사운드와이어, MIPI-CSI와 같은 인터페이스 중 하나 또는 모두가 필요한 모든 사용자는 COM-HPC로 전환해야 한다. 향후 최대 2.5 GbE보다 더 빠르거나 더 높은 성능의 PCIe 또는 이더넷 인터페이스가 필요할 것으로 예상되는 경우에도 COM-HPC가 더 낫다. 고성능 시스템 개발자는 COM-HPC에서 모든 것을 구현하기 위한 하나의 표준을 사용할 경우 모듈 라인업 축소가 더 쉽다고 생각할 수도 있지만, 이런 경우를 제외했을 경우의 지침은 “절대 사용 중인 시스템을 변경하지 말라”가 된다. 적어도 COM 익스프레스는 새롭게 PCIe 4.0을 지원하는 호환 커넥터로 나올 수 있다.

엣지 서버 모듈용 원격 관리 제공 예정

COM-HPC 출시의 일부로 확장된 원격 관리 인터페이스도 제공될 예정이다. 이 인터페이스는 현재 PICMG 원격 관리 소위원회에서 개발 중이다. 목표는 엣지 서버 모듈의 원격 관리에 사용할 수 있게 복잡한 지능형 플랫폼 관리 인터페이스(IPMI) 기능 세트의 일부를 줄이는 것이다. 이 새로운 기능을 통해 OEM과 사용자는 서버급 안정성, 가용성, 유지 관리성, 보안(RAMS)을 쉽게 보장할 수 있다. 캐리어 보드에 구현되는 보드 관리 컨트롤러를 사용하면 원격 관리 기능을 필요에 따라 개별 캐리어 보드에 맞게 확장할 수도 있다. 이는 OEM이 요구사항에 따라 수정할 수 있는 원격 관리를 위한 일관된 기반을 제공한다. 인텔 코어 프로세서 기반 임베디드 컴퓨터에 대한 보다 자세한 정보는 콩가텍 홈페이지에서 11세대 확인할 수 있다.

엣지 서버 모듈용 원격 관리 제공 예정

콩가텍은 COM-HPC 출시의 일부로 확장된 원격 관리 인터페이스도 제공할 예정이다. 이 인터페이스는 현재 PICMG 원격 관리 소위원회에서 개발 중이다. 목표는 엣지 서버 모듈의 원격 관리에 사용할 수 있게 복잡한 지능형 플랫폼 관리 인터페이스(IPMI) 기능 세트의 일부를 줄이는 것이다. 이 새로운 기능을 통해 OEM과 사용자는 서버급 안정성, 가용성, 유지 관리성, 보안(RAMS)을 쉽게 보장받을 수 있다. 캐리어 보드에 구현되는 보드 관리 컨트롤러를 사용하면 원격 관리 기능을 필요에 따라 개별 캐리어 보드에 맞게 확장하는 것도 가능하다. 이는 OEM이 요구사항에 따라 수정할 수 있는 원격 관리를 위한 일관된 기반을 제공한다.

결론

기존 성능 수준에서 디지털화가 늘어남에 따라 COM 익스프레스의 미래가 유망해졌다. 고성능 컴퓨팅인 COM-HPC는 대역폭 집약적인 데이터 스트림을 소형 엣지 디바이스에서 처리해야 하는 광범위한 미래의 컴퓨팅 집약적 애플리케이션을 수행할 수 있다.

자료제공: 콩가텍(Congatec)
글: 크리스찬 에더(Christian Eder), 마케팅 디렉터 겸 PICMG COM HPC Subcommittee 의장