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Special MicroTCA Die Bausteine: Advanced Mezzanine Cards

| Autor / Redakteur: Herbert Erd* / Kristin Rinortner

Das Ziel der Spezifikationen AdvancedTCA, AdvancedMC und MicroTCA ist es, durch modulare Systembausteine die Kosten zu senken. Das funktioniert nur mit strategischen Kooperationen zwischen verschiedenen Unternehmen.

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( Archiv: Vogel Business Media )

Modulare Konzepte sind in der Datenverarbeitung sehr beliebt. Die dahinter stehende Idee von diskreten und austauschbaren technischen Einheiten, die verbunden, zusammengeschaltet, getrennt und wieder-verwendet werden können, übt auf viele Branchen eine große Anzie-hungskraft aus.

So auch auf die Telekommunikationsindustrie. Gründe für diesen Trend liegen im steigenden Wettbewerbdruck, im Zusammenwachsen von Fest- und Mobilfunknetzen, im Umbau der Telekommunikations-netze von Leitungsvermittlung auf Paketvermittlung (IP-Netze) und der damit einhergehenden Forderung nach immer größeren Bandbreiten und Übertragungsgeschwindigkeiten.

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Im Gegensatz zu vielen anderen Bereichen gilt in der Telekommunikation, dass ein fortschrittlicheres Produkt nicht notwendigerweise ein besseres Produkt sein muss: Hier entscheiden Interoperabilität und zeitnahe Verfügbarkeit, unterstützte Übertragungsprotokolle, hohe Systemverfügbarkeit und der Preis (total cost of ownership) über den Erfolg. Um wettbewerbsfähig zu sein, müssen Unternehmen unter-schiedlicher Disziplinen in diesem Markt daher eng zusammenarbei-ten.

Die Advanced Mezzanine Card

Seit der Veröffentlichung der AdvancedMC-Basisspezifikation hat die Zahl der entwickelten und angekündigten Produkte jeden Zweifel am Erfolg dieser Entwicklung ausgeräumt. Der potenzielle Einsatzbereich für Advanced-Mezzanine-Steckkarten ist schon jetzt bedeutend und gewinnt zunehmend an Dynamik. Erfreulich ist auch die Tatsache, dass die Nachfrage des Marktes größer ist, als selbst von deren Vä-tern erwartet wurde: So zeigen die Kunden ein gesteigertes Interesse daran, Plattformen mit den Vorteilen der Skalierbarkeit, Modularität und Austauschbarkeit von Advanced Mezzanine Cards (AMC) aufzubauen.

Die MicroTCA-Systeme basieren vollständig auf mit AMC bestückten Backplanes. Für diese eröffnen sich zusätzliche Märkte in militärischen und kommerziellen, zivilen sowie im Unternehmens- und Telekommunikationsbereich. Der Grund liegt darin, dass AMC-Module einen durchgängig modularen Ansatz bei der Systemauslegung ermöglichen, den kein anderer Formfaktor bei Mezzanine-Karten in der Vergangen-heit bot.

Zu den wichtigsten Vorteilen de AMC-Architektur gehören:

Die Hotswap-Fähigkeit. Sie verleiht den AMC-Karten eine von Trä-gerkarten unabhängige Selbstständigkeit. Das AMC-Modul kann man von vorn in ein Chassis einschieben; es muss nicht huckepack im Inneren einer Trägerbaugruppe installiert werden. Die Steckkar-ten lassen sich vor Ort austauschen (field-replaceable unit, FRU).

  • Die Managementfähigkeit. Die AMC-Spezifikation unterstützt standardmäßig IPMI (Intelligent Platform Management Interface) sowie Electronic Keying (E-Keying). Dies ermöglicht ein dynamisches Konfigurieren der AMC-Karten und stellt diesen ein Überwachungs- und Warnsubsystem zur Verfügung.
  • Der AMC-Formfaktor. Er wurde entwickelt, um ausreichende Flexi-bilität für ein breites Spektrum von Rechner- und I/O-Anwendungen zu bieten. Die Spezifikation unterstützt unterschiedliche Formfak-torvarianten, von Modulen einfacher Breite und halber Höhe bis hin zu doppelter Breite und voller Höhe. Einen weiteren Vorteil des AMC-Formfaktors stellt die größere Platinenoberfläche gegenüber den alten PMC-Karten dar, die mehr Komponenten Platz bietet.
  • Die serielle Verbindungsarchitektur. Sie ist konzipiert für Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Da sich Telekommunikationsnetze in Richtung IP-Protokoll und 10 GBit Ethernet entwickeln und mittlerweile sogar von 40-GBit-Schnittstellen die Rede ist, können ältere parallele oder auf cPCI basierende Lösungen, wie beispielsweise PMC, nicht mehr Schritt halten. AMCs unterstützen eine Reihe von Protokollen, einschließlich PCI Express, Gigabit Ethernet (AdvancedMC.2) und Serial Rapid I/O (AdvancedMC.4).

Die AMC-Spezifikation REV 2.0 unterstützt Leistungen bis zu 80 W unabhängig vom AMC-Formfaktor. Es ist beim Aufbau eines Systems darauf zu achten, welche Leistungen benötigt werden und wie dies mit den maximalen Leistungsreserven eines Chassis abzustimmen ist. Hier ist das Fachwissen der Chassishersteller notwendig, um den Kunden entsprechend zu beraten.

In Tabelle 1 sind die empfohlenen Verlustleistungen für die verschiedenen Formfaktoren aufgelistet. Es werden die nach AMC.0 REV2 be-schriebenen Definitionen benutzt.

Diese Möglichkeiten sollte ein Chassishersteller kennen, um die mögli-chen Auswirkungen der verwendeten Karten auf das gesamte System entsprechend zu berücksichtigen.

Auf der Suche nach einer optimalen MTBF

Jeder Systemintegrator ist daran interessiert, ein System mit einem hohen mittleren Ausfallabstand (MTBF: Mean time between failures) zu erhalten. Das heißt, dass er Komponenten wie die AMC-Steckkarten auswählt, die einen hohen Wert für ihr MTBF aufweisen. Beim Berechnen des MTBF-Werts beeinflusst die Zahl der Steckverbinder auf einer AMC-Platine das Ergebnis wesentlich. Mit der ständig steigenden Qualität der elektronischen Komponenten kann der Einfluss der Anschlusstechnik bis zu 20% betragen.

Dies bedeutet im Umkehrschluss, dass die Entwickler von Platinen den MTBF-Wert um bis zu 20% steigern können, in dem sie auf Steckverb-inder für Tochterkarten verzichten. Verwendet man verlötete Speicherkomponenten, erzielt man also einen höheren MTBF-Wert. Auch hier zeigt sich für den Anwender, dass AMC nicht gleich AMC ist und bereits der mechanische Aufbau der Komponenten je nach der maximalen Verlustleistung eines Boards große Auswirkungen auf das endgültige System hat. Auch der Aufbau der Kühlkörper auf den einzelnen Boards beeinflusst den Luftwiderstand im System und damit die Fähig-keiten eines Chassis, die Boards entsprechend zu kühlen.

Einsatzmöglichkeiten für AMC-Module

Die Flexibilität modularer Datenverarbeitung wird sehr eindrucksvoll anhand der vielfältigen Anwendungen sichtbar, die um sie herum ent-stehen. AMC-Module können sowohl innerhalb einer MicroTCA-Umgebung als auch als Steckkarten in ATCA-Blades eingesetzt werden. Der Vorteil dabei ist, dass die Software für die AMC-Karten optimiert werden kann und später ohne große Modifikationen für µTCA-Systeme, ATCA-Systeme oder aber auch proprietäre Systeme wie Commercial Server oder auch Industrie-PCs genutzt werden kann. Diese Durchgängigkeit macht AMC-Module für viele Schlüsselmärkte interessant und verkürzt damit ganz erheblich die Entwicklungszeiten neuer Applikationen auf Basis dieser Standards.

Mögliche Schwerpunkte können sein:

  • Telekommunikationsanwendungen: Im Telekommunikationsbereich werden bereits überall IMS-Server, IP/TV und 3G-Gateways und Media Server eingesetzt.
  • Verteidigungs- und Rüstungsindustrie: Die Möglichkeit von „gehärteten “, durch Wärmeableitung über metallische Oberflächen gekühlten, ausfallsicheren Kommunikationssystemen auf der Grundlage von kostengünstigen, in Serienproduktion hergestellten MicroTCA-Komponenten stößt beim Militär auf großes Interesse. Die „Härtung“ auf dieser Ebene stellt eine große Herausforderung dar. Sie bietet jedoch die Möglichkeit neue, hochleistungsfähige und kostengünstigere Komponenten und Baugruppen einzuführen. Für dieses Marktsegment sind allerdings spezifische Modifikationen bei den Standard-AMC-Modulen erforderlich. Entscheidend für den Einsatz der AMC in diesem Bereich sind jedoch der mechanisch und kühltechnische Aufbau der Boards und das Verständnis, wie sich solche Boards in einem Chassis auswirken.
  • Gewerbliche und industrielle Anwendungen: Im gewerblichen Bereich besteht bereits beträchtliches Interesse an MicroTCA und AMC. Allerdings wird man nach ersten Erfahrungen einzelne Aspekte des µTCA-Standards außer acht lassen, um leistungsfähige Industrie-PCs mittels AMC aufzubauen und diese auch preislich attraktiv zu positionieren.

AMC-Carrier-Blades: Leistungsfähigkeit und Wirtschaftlichkeit steigern

Bereits der strategische Ansatz, Funktionen in einzelne AMC-Module auszulagern, vergrößert die Flexibilität und Modularität der Advan-cedTCA-Architektur. AMC-Carrier-Blades verwandeln sie darüber hinaus in zukunftssichere Technologien.

Zur Erklärung: Ein AdvancedTCA-System besteht im Prinzip aus mehreren AdvancedTCA-Server-Blades. Jeder einzelne von ihnen ist mit einem oder mehreren Prozessoren, Arbeitsspeichermodulen, Speicherkomponen-ten sowie Netzwerkanschlüssen bestückt. Die gemeinsame Stromver-sorgung ist auf diesem Blade platziert. Server-Blades sind gemäß Forderung der Standardisierung im laufenden Betrieb austauschbar (Hotswap).

AMC-Carrier-Blades dagegen bieten von allen offenen Telekommuni-kationsarchitekturen den größten Grad an Modularität; denn damit sind nicht nur komplette Frontboards, sondern sogar einzelne AMC-Module im laufenden Betrieb austauschbar. Die ATCA-Blades dienen als reine Switches zwischen den AMC und der ATCA-Backplane.

Der AMC-Standard erweitert also die AdvancedTCA-Systemarchitektur, indem er ihre Leistungsfähigkeit und Ausbaufähig-keit im laufenden Betrieb sowie ihre Leistungssteuerungs- und Sys-temverwaltungsfähigkeiten auf einzelne Module ausdehnt. Darüber hinaus erweitert er die Switched-Fabric-Hochleistungsschnittstelle von AdvancedTCA um eine serielle, paketgestützte Multiprotokoll-Hochgeschwindigkeitsschnittstelle, die Datenübertragungsgeschwin-digkeiten vom Modul zur Hauptplatine beziehungsweise von Modul zu Modul mit bis zu 200 GBit/s unterstützt.

Ein einziges AMC-Carrier-Blade kann je nach Formfaktor vier bis acht AMC-Module aufnehmen. Entsprechend kann ein mit 16 AMC-Carrier-Blades bestücktes AdvancedTCA-Gehäuse bis zu 64 AMC-Module enthalten (bei 23“/ETSI-Bauform, respektive 14 AMC-Carrier-Blades bei 19“-Systemen).

Motor zu größerer Modularität

Die Vorteile eines modularen Aufbaus von Hartwareplattformen wie durch die Spezifikationen von AMC, ATCA und µTCA definiert, sind der Motor eines allgemeinen Trends zu mehr Modularität. Dies gilt insbesondere in der Telekommunikation, Netzwerktechnik, Industrie, Medizin- und Rüstungsindustrie, wo die Entwicklung neuer Systeme permanent unter einem konstanten Druck zur Kostensenkung bei gleichzeitiger Leistungsverbesserung steht.

Während bereits Multiprotokoll-Unterstützung, Hotswap-Fähigkeit und integrierte Systemverwaltung der AdvancedTCA-Spezifikation eine solide Grundstruktur für die Telekommunikation liefert, überträgt AMC die Vorteile dieser Grundstruktur auf die Ebene der einzelnen Karten. Dies ermöglicht es den Entwicklern, ihre Systeme differenzierter anzupassen, zu skalieren, auszubauen und zu warten. Gleichzeitig verringert die erhöhte Modularität, die AMC den AdvancedTCA-Systemen verleiht, die Produkteinführungszeiten und senkt die Entwicklungs- und Herstellungskosten. Dadurch sinken wiederum die Kosten für den Auf- und Ausbau sowie die Wartung von hochleistungsfähigen, hochverfügbaren Telekommunikationssystemen.

Aufgrund der Modularität von AMC sparen Systemhersteller in allen Branchen Zeit und Geld. Bereits bestehende Module können für neue Anwendungsfelder in anderer Kombination zusammengestellt werden. Noch nicht bestehende Funktionen lassen sich mit überschaubarem Aufwand entwickeln, weil die „Peripherie“ dazu schon existiert.

Damit wächst der bereits existierende „harte Kern der Module“ zu einer riesigen Palette an, für die anwendungsspezifische AdvancedTCA- Blades nicht für jede neue Anwendung mühsam neu entwickelt werden müssen. Module und Komponenten stellen damit eine preisgünstige und sofort verfügbare Standardlösung für die Produktenwicklung dar, die quasi aus einer umfangreichen Bibliothek gezogen werden können.

Mit Einführen der neuen MicroTCA-Architektur werden sich Investitionen in AMC als noch lohnender erweisen. Die möglichen Vorteile die-ser Architektur machen den dafür erforderlichen Aufwand mehr als wett.

Interdisziplinäre Zusammenarbeit gefordert

Das angestrebte Ziel der Aktivitäten sind Telekommunikationssysteme auf der Grundlage der AdvancedTCA- und MicroTCA-Architektur, die bis hinunter auf Platinenebene vollständig transparent und skalierbar sind. Immer mehr Unternehmen entschließen sich daher, strategisch zusammen zu arbeiten.

Dies praktizieren beispielsweise die Firmen Harting, GE Fanuc Em-bedded Systems (ehemals SBS Technologies) und Rittal. Über das gebündelte Fachwissen wird es schon in naher Zukunft möglich sein, diesen Entwicklungsprozess noch weiter zu beschleunigen. Dadurch lassen sich effiziente Lösungen für die ins Extreme gehenden Anforderungen hinsichtlich der Verlustleistungen zukünftiger Systeme finden. Auch die Interoperabilität der Systemkomponenten sowie die Entwicklung von Höchstgeschwindkeits-Backplanes mit 10 Gbit/s und darüber hinaus sind zu meistern.

Über die erwähnte strategische Zusammenarbeit hinaus unterstützt Rittal alle Anwendungen der Telecom Computing Architecture von An-fang an: Mitbestimmend und in Vorleistung gehend in den entsprechenden Gremien. Dies spiegelt sich in Systemen und Komponenten wider, die in unterschiedlichen Integrationsleveln bereit gestellt werden können und praktisch keine Anwendungswünsche offen lassen. Be-sonderes Augenmerk gilt sehr effektiven Kühlkonzepten; denn die technische Leistungsfähigkeit der Systeme wird mehr und mehr zu einer Frage der wirkungsvollen Entwärmung.

*Dipl.-Ing. Herbert Erd ist Business Development Manager bei GE Fanuc Embedded Systems in Augsburg.

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