PICIMG의 새로운 고성능 COM 표준 ‘COM-HPC’

COM-HPC는 최근 핀아웃과 기능이 공식적으로 승인된 PICMG의 새로운 고성능 COM(Computer-on-Module) 표준이다. 이번 글에서는 이에 관한 세부사항들을 살펴본다.

최근 업계 전망에 따르면 향후 많은 고속 임베디드 시스템 개발자들이 하이엔드 임베디드/중간급 서버에 새로운 세대의 인텔/AMD 프로세서와 함께 새로운 표준인 COM-HPC를 채택할 것으로 보인다. IHS 마킷은 COM이 2020년 임베디드 컴퓨팅 보드, 모듈, 시스템의 전체 매출 가운데 약 38%를 차지할 것이라 전망한 바 있다. 새로운 COM-HPC 표준의 발표가 임베디드 시장에서 일대 전환점이 될 것으로 기대되는 이유다.

더 뛰어난 성능과 더 많은 인터페이스

최초의 COM 표준 공표 이후 그동안 하이엔드 임베디드 컴퓨팅에는 2개의 중요한 표준이 개발돼 사용돼 왔다. 바로 ETX와 후속 표준인 COM Express다. 하지만 최근 COM Express를 보완할 새로운 표준의 필요성은 쉽게 설명할 수 있다. 기업의 디지털 전환이 가속되면서, 고속 임베디드 컴퓨터에 대한 수요가 빠르게 증가하고 있기 때문이다.

새로운 세대의 임베디드 엣지 서버를 위해서는 무한한 확장성이 요구된다. 반면, 440핀 COM Express는 강력한 엣지 서버용으로 충분한 인터페이스를 제공하지 못한다. COM Express 커넥터의 성능 또한 점차 한계에 다다르고 있다. COM Express는 8.0GHz의 클럭 속도와 PCIe Gen 3의 8Gbps 용량은 수월하게 처리할 수 있지만, PCIe Gen 4 같은 최신 기술을 충족하는지에 대해서는 논란이 있다.

최신 COM-HPC는 컴퓨터-온-모듈(COM) 시장이 꾸준히 진화해온 결과다. 물론 COM-HPC가 COM Express와 같은 시장 점유율을 차지하기까지는 아직 몇 년이 더 걸릴 것이다. COM Express 역시 규모 면에서 ETX를 따라잡기까지 약 5년이 걸렸으며, ETX 모듈은 지금도 여전히 판매되고 있기 때문이다.

헤드리스 임베디드 서버 성능

산업용 애플리케이션에서 분산형 시스템으로서 점점 더 널리 사용되고 있는 최신 헤드리스 엣지 서버는 극히 높은 임베디드 엣지 성능과 더욱 확장된 연결성을 요구한다. 왜 이처럼 높은 엣지 성능이 필요한 것인지, 주변 상황을 인지하기 위해 비전 기술과 AI 로직을 적용한 자율주행차를 예로 들어 설명해 보자.

자율주행차는 돌발상황 발생 시 클라우드에서 알고리즘이 처리되기만을 기다릴 수 없다. 협업로봇도 마찬가지다. 그리고 예컨대 그런 상황에서 이미징 센서 데이터를 처리하거나 복잡한 딥러닝 알고리즘을 실행하기 위해서는 적어도 10GbE 커넥티비티와 대규모 병렬 컴퓨팅 유닛을 사용할 수 있는 시스템이 필요하다. 오늘날에는 이같이 유연하게 다중 임무를 수행하기 위해 GPGPU 사용도 점차 증가하는 추세다. GPGPU는 FPGA와 DSP의 대체재로서, 중앙 CPU 코어에 대한 고속 커넥티비티 요구와 할당된 작업이 복잡해질수록 그 필요성은 더욱 커진다. 그리고 COM-HPC 시스템은 다수의 PCIe 레인을 사용해 지금보다 더 많은 가속기 카드를 수용할 수 있으므로 전체적인 성능을 COM Express보다 더 높게 끌어올릴 수 있다.

서버급 보드 관리 기능

COM-HPC의 또 다른 특징은 시스템 관리 인터페이스를 통합했다는 것이다. 현재 PICMG 분과위원회에서 정의 중인 소프트웨어 인터페이스는 강력하고 복잡한 IPMI 정의를 COM-HPC 표준에 포함함으로써 전체 서버 기능을 손쉽게 구현하는 것을 목표로 하고 있다.

이 인터페이스 덕분에, COM-HPC는 적당한 서버급 보드 관리 컨트롤러(BMC)를 캐리어 보드에 통합해 폭넓게 확장 가능한, 진정한 의미의 엣지 서버 기능을 제공할 수 있게 될 것으로 보인다.  해당 캐리어 보드 설계에 관한 가이드라인이 제공되면 초보자들도 보다 쉽게 설계에 참여할 수 있게 될 전망이다.

또한 이 표준은 COM-HPC 디바이스 모듈을 그래픽 프로세서나 FPGA용으로 개발할 수 있는 가능성 역시 함께 제공할 것이다. 애초에 PCIe 클럭 입력에 대한 정의가 포함돼 있었으므로 COM-HPC 모듈을 클라이언트로 사용할 수도 있다. 이는 복잡한 라이저 카드(Riser card)를 사용하지 않고도, 유연하고 컴팩트한 이종 컴퓨팅 솔루션을 설계할 수 있게 해준다.

기존에는 마더보드에 수직으로 탑재되는 PCIe 소켓용으로 그래픽 카드를 개발해야 했다. 이런 그래픽 카드들은 커넥티비티 옵션도 훨씬 적은 편이다. MXM3 그래픽 카드 역시 314핀밖에 제공하지 않는다. COM-HPC를 사용하면 극히 얇은 모듈형 제품을 설계할 수 있고 GPGPU용 설계도 가능하므로, GPGPU나 FPGA 또는 DSP 기반의 COM-HPC 서버 모듈과 가속기 모듈을 모두 제공하는 랙 시스템을 위한 얇은 슬롯 카드를 설계할 수 있다.

현재 이들 3가지 가속기 모듈을 위한 솔루션들은 이미 개발 중이다. 또 향후 COM-HPC는 단지 임베디드 엣지 서버 프로세서용 표준에 국한하지 않고 GPGPU, FPGA, DSP 확장용으로도 사용할 수 있도록 성장할 것이다.

440핀이 아니라 800핀

COM-HPC 클라이언트 모듈은 COM Express Type 6를 계승했다. COM-HPC 클라이언트 모듈은 보다 작은 풋프린트로 최대 4개의 SO-DIMM 소켓을 수용할 수 있는데, COM Express와의 가장 큰 차이점은 440핀이 아닌 800핀을 장착해 더 많은 인터페이스 옵션을 제공한다는 것이다. COM Express 역시 PCIe Gen 4를 처리할 수 있어 이 점에서는 COM Express 시스템 개발자들이 COM-HPC 클라이언트 모듈로 굳이 전환할 이유가 없다.

하지만 COM-HPC 클라이언트 모듈은 PCIe 레인 49개에 더해(COM Express Type 6은 24개), 이번에 처음으로 2개의 25GbE KR 인터페이스와 최대 2개의 10Gb BaseT 인터페이스를 제공한다. 따라서 현재의 싱글 GbE LAN보다도 훨씬 더 개선된 성능을 기대할 수 있다.

주목할 만한 또 다른 특징으론 최대 2개의 MIPI-CSI 인터페이스를 제공하는 점이다. 많은 개발자들은 4개의 USB 2.0 외에 추가로 제공되는 USB 4.0 인터페이스를 반가워할 것이다. 이 가운데 4개를 최대 40Gbps로 초고속 메모리를 연결하는 데 사용하거나, 단일 USB-C 케이블을 통해 전원 공급과 10GbE 네트워크 연결을 포함해 최대 2개의 4K 디스플레이를 연결하는 데 사용할 수 있다.

그래픽과 관련해서는 이제 3개의 전용 DDI 인터페이스를 지원하도록 확정됐다. 또한 디스플레이포트(DisplayPort), DVI-I/VGA, DVI-I, HDMI 또는 DVI 대 LVDS 컨버터를 위한 특정 설계를 캐리어 보드 상에서 실행할 수 있다. 이 밖에 2개의 사운드와이어(SoundWire)와 I2S, SATA 2개, eSPI, SPI 2개, SMB, I2C 2개, UART 2개, GPIO 12개를 제공한다.

새롭게 추가된 인터페이스인 사운드와이어는 현재 사용되고 있는 HDA 인터페이스를 대체할 것으로 예상된다. 사운드와이어는 MIPI 표준으로, 2개의 클럭과 데이터 라인만 필요로 하고 클럭 속도는 최대 2.288MHz이며, 최대 4개의 오디오 코덱을 병렬로 연결할 수 있다. 각각의 코덱은 검증된 자체 ID를 수신한다.

현재 새로운 표준에 참여한 기업들과 제휴 관계에 있는 OEM들은 비밀유지협약(NDA)을 맺고 제3자에 정보를 공유하지 않는다는 조건으로 캐리어 보드 설계 개발에 착수한 상태다. 참고로 PICMG의 COM-HPC 분과위원회에는 콩가텍을 비롯해 에이디링크, 어드밴텍, 인텔 등 20여 회사가 회원사로 참여하고 있으며, 콩가텍 마케팅 디렉터인 크리스찬 이더가 COM-HPC 위원회 의장으로 활동하고 있다. 그는 앞서 COM Express 표준 개발에서도 초안 편집자로서 중요한 역할을 담당한 바 있다.

서버급 캐리어 보드 설계

최근 엣지 서버용 COM-HPC 캐리어 보드를 설계하고자 하는 개발자들을 위해 mini-STX 캐리어 보드로서 ‘conga-STX7/Carrier’가 출시됐다. 이는 5.5 x 5.8형 크기에 COM Express Type 7 서버-온-모듈용으로 개발된 것으로서, 서버급 보드 관리 컨트롤러(BMC)를 통합해 효율적인 원격 모니터링과 관리, 유지보수 기능을 제공한다.

프로세서는 에스피드(Aspeed)의 AST2500 BMC를 채택하고(800MHz ARM11), DDR4 1600Mbps를 지원하며, 관리 콘솔용으로 온칩 PCIe 2D VGA를 제공한다. 컨트롤러의 펌웨어는 컴퓨터-온-모듈 기반 임베디드 엣지/마이크로 서버용으로 최적화돼 있다. 따라서 PICMG 표준의 기존 임베디드 API를 사용하면, 원격 관리 시스템에 필요한 모든 이벤트 로그와 경고를 구현할 수 있다.

이와 함께 섀시 전원 제어, KVM, 미디어 재지정 기능을 위한 IPMI 명령이 로컬에 연결돼 있는 서버 콘솔과 원격 KVM 모두를 지원하도록 설계돼 있다. 아울러 호스트 시스템의 다양한 타깃들 간 출력 전환 기능을 지원하는 호스트 디버깅 콘솔 또한 1.0 버전에서 빼놓을 수 없는 특징이다.