Stosowanie wbudowanych modułów SoM do obliczeń brzegowych w systemach HPEC

System on Chip (SoC) to układ scalony, który w jednym czipie łączy funkcjonalność różnych komponentów, m.in. mikroprocesorów, interfejsów wejścia-wyjścia i akceleratorów sprzętowych. Układy SoC cechują się wysoką wydajnością, niskim poborem mocy oraz niewielkimi rozmiarami. Dzięki temu doskonale nadają się do wbudowanych systemów obliczeniowych wymagających dużej wydajności, ale jednocześnie mających ograniczenia SWaP-C, czyli ograniczenia dotyczące rozmiaru, wagi, poboru mocy i ceny.

System on Module (SoM) wykorzystuje podobną koncepcję, ale idzie z nią o krok dalej, integrując układ scalony SoC z innymi komponentami (m.in. pamięcią) i umieszczając je na płytce drukowanej, a następnie przekierowując wszystkie operacje wejścia wyjścia (I/O) do złącza o wysokiej prędkości. Choć układ SoM ma większe ograniczenia w zakresie rozmiarów, pozwala znacznie uprościć integrację. Poprawia również niezawodność całej konstrukcji, ponieważ producent czipów dokładnie sprawdza wszystkie połączenia.

Układy SoM, na których się skupimy, mają zazwyczaj potężne procesory CPU, GPU, silniki kodowania i dekodowania wideo oraz inne akceleratory sprzętowe (np. rdzenie Tensor). Dzięki temu są w stanie podołać wymagającym zadaniom takim jak przetwarzanie danych, uczenie głębokie (DL) czy akceleracja systemów wizyjnych, ale jednocześnie zajmują stosunkowo mało miejsca.

Największą zaletą układów SoM jest to, że oferują wszystkie powyższe możliwości w ramach pojedynczej jednostki sprzętowej. Umożliwia to optymalne wykorzystanie dzielonych magistrali oraz łatwiejszą integrację funkcji bezpieczeństwa, które zapewniają ochronę wrażliwych danych i zapobiegają nieupoważnionemu dostępowi. Ma to szczególnie duże znaczenie w systemach HPEC (High-Performance Embedded Computing), które mają ograniczenia SWaP-C, ale zarazem potrzebują wysokiej przepustowości do przetwarzania danych.

Układy SoM mają zintegrowany kontroler pamięci dzielonej między poszczególnymi komponentami. Znacznie ogranicza to liczbę niepotrzebnych kopii i nie dopuszcza do tworzenia się wąskiego gardła na magistrali, co cechuje wiele rozwiązań z dwoma kartami korzystającymi z osobnych interfejsów pamięci.

Przykładowo rozwiązania z modułem GPU XMC i modułem SBC VPX wymagają przesyłania danych między kartami za pośrednictwem interfejsu PCIe. Na dodatek jednostka CPU musi ściśle nadzorować kopiowanie pamięci między modułami, co prowadzi do pogorszenia przepustowości i wydajności.

Używanie jednopłytkowego komputera 3U VPX z układem SoM zamiast rozwiązania z modułami XMC i VPX ma jeszcze inne zalety, m.in.:

Mniejsze rozmiary, waga i pobór mocy (SWaP): Jednopłytkowy komputer 3U VPX z układem SoM łączy funkcjonalność wielu kart w jednym kompaktowym rozwiązaniu. Pozwala więc ograniczyć rozmiary, wagę i pobór mocy całego systemu, dzięki czemu świetnie nadaje się do zastosowań wymagających niskich parametrów SWaP.

Wyższa wydajność: Dzięki zintegrowanym akceleratorom sprzętowym oraz dzielonej pamięci układy SoM zapewniają wyższą wydajność w przeliczeniu na wat niż moduły XMC i VPX.

Większa niezawodność: Jednopłytkowy komputer z układem SoM jest mniej podatny na usterki sprzętowe niż rozwiązania z dwoma kartami, ponieważ eliminuje połączenia, które stanowią potencjalne punkty awarii.

Łatwiejsza integracja: Jednopłytkowy komputer 3U VPX z układem SoM ułatwia integrację systemu, ponieważ zawiera mniej kart i komponentów wymagających instalacji w miejscu docelowym. W dłuższej perspektywie czasowej upraszcza również serwisowanie.