繼ETX/XTX和COM Express之后，嵌入式計算機模塊行業推出了一款開創全新性能級別的產品生命周期。這個全新的設計標準被稱為COM-HPC，已通過康佳特等企業組成的PICMG認證。隨著5G網絡的推展，極速的實時數據交換將成為主要應用領域。但目前COM標準的用戶不必擔心自己的解決方案就此失效，因為轉型需要時間，基于當前標準的產品在未來多年內并不會退出市場。

圖解1

ETX及其演變成的COM Express標準是兩種嵌入式計算機模塊的技術規范，隨著技術的進步而在多個獨立團體的努力下實現了標準化。而現在，第三種標準COM-HPC即將推出，以滿足寬帶、5G聯網設備、機器和系統的高性能要求。

自嵌入式計算機模塊（Computer-On-Module,以下簡稱COM）的概念誕生以來，模塊化電腦已成為嵌入式計算機系統中最為重要的設計原則。IHS Markit的研究表明，預計至2020年，嵌入式計算機主板、模塊和系統的全球銷售額中將有38%來自COM。首個嵌入式計算機模塊于1990年代早期問世，由德國公司JUMPtec的所有者且至今仍活躍于德國康佳特的Hans Mühlbauer，根據當時常見的AT/ISA96總線，推出了首個ModulAT模塊，基于9.54 MHZ 英特爾CPU 80C88，DRAM內存可達640KB。其目標是讓辦公室電腦技術更適合工業用途。這在嵌入式計算機領域前所未有。當時，工業電腦主要使用19英寸機架系統，而使用100 x 160毫米主板的工業級電腦根本聞所未聞。該模塊在CPU和元件的同一側裝有120個針腳，當時的處理器顯然無需考慮復雜的散熱管理。

圖解2

JUMPtec基于當時常見的AT/ISA96總線，推出了首個ModulAT模塊，配備了9.54 MHz 英特爾 CPU 80C88，DRAM內存可達640KB。

首個模塊的目標是避免將所有功能集中于一張卡上，以減少CPU快速更新換代所帶來的沖擊。在過去，英特爾(Intel)和AMD每六個月就能推出一款新CPU。由于不確定舊版CPU還能在市場上留存多久，因此需要使用模塊化來確保其長期可用。當然，其擁有的可擴展性也帶來了多種不同的性能變種。另一個重點則是減少I/O板設計的復雜性。當I/O板需求的層數大幅減少，這使得PCB設計的成本隨之降低。在當時，如何用新型模塊減少功耗和發熱量也已經成為了關注點。最后，客戶總是想要最新款式的CPU，這一點時至今日也沒有改變。而模塊同樣能保障這種優勢。

模塊還能解決纜線纏結

然而，與AT/ISA96總線相比，ModulAT模塊上市的時間較晚，因為用于工業用途的嵌入式計算機當時才剛剛起步。例如，x86和Windows還未在行業中嶄露頭角，與藍屏問題的斗爭依然如火如荼。在這方面，模塊更像是新興行業的早期“盜版”產品，而不是既定模塊標準中的獨特產品世代。即便如此，JUMPtec依然開創了全球模塊業務，創立了標準規范。在如今看來，這是一大成功。在1990年代中期，PC/104 單板(SBC)的規格為連接器留出的空間過少，使其難以安裝在CPU和芯片組的同一側，進一步證明了模塊的重要性。隨著客戶開始對連接能力提出更高的要求，連接器被定制安裝在PCB的另一側，用以連接更多外部設備。PC/104的設計原則還意味著纜線必須將I/O引導至機箱，這導致纜線的纏結問題更為嚴重，也導致系統更容易出錯。在當時，良好的系統設計意味著干凈整潔的纜線連接。通過使用專用載板，使外部I/O可以直接連接到機箱，無需使用纜線，模塊概念能有效解決纜線纏結問題，這也成為一大亮點。JUMPtec開發的首個ETX模塊成功推出，標志著嵌入式計算機模塊市場的重大突破。

最佳模塊概念競爭激烈

然而，雖然JUMPtec開創了標準規范，但這些以ISA/PCI為基礎、具備400個針腳連接器的ETX設計卻并非一帆風順。許多企業和競品模塊概念開始要求原始設備制造商提供類似的解決方案，其中大多數的名字如今只有死忠粉絲才能想起。雖然當時的嵌入式計算機供應商規模與今日相距甚遠，但還是展開了激烈的競爭。JUMPtec和Advantech在2001年11月共同創立了ETX Industrial Group（ETX-IG），推出了首個開放的、獨立于制造商的模塊標準規范，其中一版規范如今依然有效。Mühlbauer在當時解釋道：“舉例來說，Advantech、I-Base、IBR和PCISystems都開發了不同的ETX主板，并且很快就達到了市場成熟的水平。為了確保全球ETX標準的統一制定，我們需要建立一個開放的ETX聯盟。” 在幾個月內，其他重要的ETX支持者體會到了開放式標準帶來的卓越效益，也紛紛加入了聯盟。隨后，ETX-IG通過兼并和收購而變得越發舉足輕重，不同設計類型的模塊也逐漸減少。最終，模塊設計的分歧幾乎徹底消失。由此，在下一個技術周期中，嵌入式計算機模塊行業順利制定出了新的標準規范，避免了過多的競爭和交鋒。

圖解3

Advantech和JUMPtec在紐倫堡SPS/IPC/Drives上創立了ETX-IG。

COM Express于2005年成為正式的PICMG標準規范

2004年，隨著新推出的PCI Express總線被廣泛應用，新型處理器和芯片組也不再支持ISA，行業需要一種全新的設計概念：COM Express，這種規范雖然制定起來相對輕松，但也并非輕而易舉。主持標準規范的PICMG需要對抗內部的種種障礙與拖延。最終，在2005年7月，嵌入式計算機業界對PICMG的COM Express標準達成了一致。該概念于2003年秋季與英特爾合作共同被提出，在18個月的時間后才實現了標準化。從2010年的Rev2.0到2017年的Rev3.0，起草者Christian Eder一直領導著標準的制定。他最初在Mühlbauer的JUMPtec工作，隨后加入了Kontron，如今則為德國康佳特服務。

圖解4

首款COM Express模塊于2005年開始批量生產，使用了英特爾奔騰M處理器，是嵌入式計算機處理器中真正的里程碑。

如今，在PICMG推出COM Express整整14年后，嵌入式計算機模塊市場成為了最大、最主要的嵌入式計算機子市場，所有嵌入式計算機制造商都能提供多種COM Express模塊。雖然如此，ETX/XTX模塊也并未銷聲匿跡，這意味著首個計算機模塊(COM)周期還并未終結。COM Express花了許多年的時間追趕ETX/XTX，直至2012年才終于在數量上超過了后者。看來 “好用就不做改變”，流行這句諺語的可不只在嵌入式計算機市場。

COM Express模塊無可比肩

如今，對中高端性能的新式嵌入式載板而言，COM Express依然是無可爭辯的標準規范。似乎沒有其他規范能與之抗衡。這一規范經過了多次低調的修訂，于2017年5月發布了如今的3.0版，這也是標準規范的好處。在相對較新的Type7規范中，COM Express專為嵌入式邊緣服務器應用而打造，在極端條件下甚至可以用作VITA規范的基準。其他模塊標準，例如Qseven和SMARC 2.0，雖然兩者都支持以ARM為基礎的應用處理器，但僅限于低功耗或者小型設計。最新的COM-HPC模塊標準規范吸取了過往的教訓：從一開始，這一高性能嵌入式計算機模塊標準就由PICMG制定，以盡可能避免模塊之間的激烈競爭。對第三代模塊標準規范來說，獨立于制造商的聯盟是最理想的生態體系。

圖解5

至今為止性能最強大的COM Express Type 7嵌入式服務器模塊，搭載AMD EPYC處理器。

第三代高性能COM問世

自2018年10月起，由康佳特市場營銷總監Christian Eder 擔任主席的PICMG工作組就在研究最新的COM-HPC模塊標準規范。這一標準急需問世，因為所有全新的物聯網/5G聯網設備都需要高帶寬、高頻率的通訊總線，而COM Express板間連接器卻無力提供支持。這意味著在全球構想、推行了數十年的嵌入式計算機模塊標準規范將由同一個德國COM聯盟所制定。目前，這一聯盟的主要推動力就是德國康佳特，該公司于2005年成立，為純粹的計算機模塊供應商，以避免和自己的顧客在系統解決方案市場中競爭。該公司也是Qseven和SMARC 2.0的構思者。

寬帶網絡需要寬帶電腦

隨著業界從ETX逐步轉換到COM Express，新總線技術的推出自然會迎來新的標準。COM-HPC標準規范旨在為寬帶網絡中適合PCI Express第3代至第5代高頻信號的寬帶計算設定全新的嵌入式計算機模塊標準。然而，正如COM Express并未取代ETX，COM-HPC不應成為COM Express的替代品。如我此前所述，ETX/XTX模塊如今依然可以使用，用戶甚至在20年后依然可以使用同樣的設計原則。因此，在COM-HPC模塊標準同樣可以保證，過去有效的基本概念如今也依然有效。此外，新處理器的設計更為復雜，因此更需要通過特定的載板將I/O從CPU模塊導出。

但為什么不繼續開發COM Express就好呢？全新COM-HPC標準所需的并不只是新連接器，而是傳統COM Express中的許多功能已經不再需要，需要被移除。這是因為全新的標準所瞄準的應用方式要求較高，遠超出了當前頂級COM Express的性能支持。然而，其目的依然是使原始設備制造商通過大型生態體系和PICMG及其標準規范的聲譽而獲得效益，因此，特別強調使用者可以輕松地完成系統遷移。由ETX遷移至COM Express時的大量經驗應該能作為參考。

基于這些原因，在高于COM Express Type7和Type6標準規范的性能, 將有兩種全新的新一代性能級別。其中一類別主要面向邊緣服務器技術，其需要更多通信接口，而非強大的集成顯卡，且具備多核心用于工作負載整合。另一類別會擴展現有的高端嵌入式計算機標準，增添COM Express無法容納的新性能選項，其組成部分包括顯卡，USB 3.2(20 Gbit/s)、USB 4.0(40 Gbit/s)、 配備了x2/x4端口配置和重定時器的第4代與第5代PCIe、每秒100/200 Gb的以太網、NVMe和其他選項。

雙倍針腳，多達8個DIMM插槽

連接器是新標準規范中非常重要的一部分。COM Express僅限于傳輸速度每秒8 Gb、時鐘頻率5.0 GHz的第三代PCIe。全新的連接器可支持的傳輸速度超過了每秒32 Gb，等同于第5代PCIe。此外，支持多達65個PCI Express通路，足夠連接許多強大的GPGPU并進行機器學習。相比之下，COM Express最大僅能支持32個PCI Express。COM Express的性能表現目前受限于每對信號10 Gb以太網，這也將提升到每對信號至少25 Gb以太網，使100 Gb以太網的支持成為可能。用于邊緣計算機的新一代處理器還需要更多互聯，也需要更多DIMM插槽的空間。該新標準可支持多達8個DIMM插槽和800個針腳，而COM Express僅有440個針腳。

圖解7-8

康佳特的COM-HPC模塊擁有兩種性能類別，與如今的COM Express Type6和Type7一樣，分為客戶端(Client)類與服務器(Server)類。從一開始，這兩個類型的設計面積就意味著，大型的高端COM-HPC模塊能容納多達8個DIMM插槽。圖示還清晰展示出了不同尺寸的板際連接器的相同布局。

也許有人認為，制定新的標準規范輕而易舉，但事實并非如戲。僅僅提升信號頻率就帶來了諸多復雜的問題。例如：為了支持高達300W的模塊，康佳特和Samtec已經為COM-HPC連接器的要求與測試合作探討了兩年。然而，PICMG工作組直到2018年10月才成立，這意味著許多基礎工作此前已經被完成，由此加快了工作組的決策速度。

COM-HPC模塊何時問世？

參與標準制定的各大公司目前都翹首以待，希望流程不要如COM Express一般，在PICMG中再度停滯。它的成功很大程度上取決于企業能否攜手并進，而非單獨推行。因此，整個業界對發布公開聲明都相當謹慎。英特爾等半導體制造商已經通過早期體驗項目分享了最新的處理器技術，開發部門正在全力進行初版設計的研究。康佳特的首個COM-HPC模塊可能于今年推出，到時，新 一代的嵌入式計算機時代即將來臨，這和當年COM Express花的時間差不多，因此很可能實現。

PICMG——強大的團隊

PCI工業計算機制造商組織（PCI Industrial Computer Manufacturers Group），簡稱PICMG，是由超過140家企業所組成的聯盟，旨在共同開發高性能電信與工業應用的免專利標準規范。聯盟的成員多為技術領域的先驅者，在各自的行業內擁有多年開發經驗。目前，該組織正在開發COM-HPC規范標準，為下一代嵌入式計算機模塊提供開放架構。參與制定COM-HPC規范標準的企業包括工作組的發起方德國康佳特、凌華科技和控創，以及研華、Amphenol、比勒菲爾德大學、Elma Electronic、Emerson Machine Automation Solutions、ept、Fastwell Group、Heitec、英特爾、MEN Mikro Elektronik、MSC Technologies、N.A.T.、Samtec、SECO、TE Connectivity、Trenz Electronic和VersaLogic等，其主席為康佳特的Christian Eder。