基本介紹
- 外文名：AdvancedTCA Fabric
- 類屬：計算機接口
- 承載：2.1TB/s的吞吐量
- 規範：PICMG 3.0
通訊計算機,配對連線器,接口差分,多種規範,
通訊計算機
PICMG3.0規範---先進的通訊計算機架構
2001年9月，PICMG(全球PCI工業計算機製造組織)成立了一個委員會起草滿足高吞吐量、高可靠性的下一代計算機平台標準。該委員會由代表了工業和電信設備製造商及終端用戶的105個公司組成，其目標是建立、修改並計畫在2002年底發布新的規範。經過1 2個月的奮戰，PICMG3.0規範---先進的通訊計算機構架（ATCA）如期發布。整個過程中，組織內的各個團隊分別負責問題的不同方面，為最終達到一個實用的解決方案的期望而努力，其中的核心團隊負責監控整個進程，發現並解決過程中出現的潛在的不兼容性和障礙。這個規範的發表無疑是工程界的快速有效合作的很好範例。PICMG 3.0規範有4 60頁長，整個制訂過程花費5人年的會議和電話協商的時間。本文將對規範形成背後的動機作以闡述，同時對規範本身做一個全面的介紹. PICMG 3.0的目標： PICMG標準化組織要求任何新規範的制訂須以SOW（Statement of Work）的形式開始。S OW提供指導用以確保標準與原始目標吻合而不過分背離。PICMG 3.0的SOW是：“PICMG 3.0標準是為下一代融合通訊及數據網路套用提供一個高性價比的，基於模組化結構的、兼容的、並可擴展的硬體構架 ,同時以模組結構的形式呈現以支持符合現代傳輸需求的科技或套用。在核心標準中定義機械結構、散熱管理、電源分配和系統管理。PICMG 3. 0規範的特色是專注於電信運營級需求"可靠性、可用性、適用性（RAS）”的套用，同時附帶目的則為加速在高可靠度資料中心(HA Data Center)對此技術的採用.此規範的目標更清楚針對那些未能被現存CompactPCI 標準規範或專屬架構滿足的套用，PICMG 3.0及其輔助規範將帶給這樣的套用市場提供一個良好解決方案。”。事實上，大多數PICMG 3.0 委員會成員業已根生於CompactPCI生態環境，並正在探索新的平台用以承載下一代通訊和資料套用。其間大家曾嘗試著對2.X標準的修改來滿足電信市場的需求，但只取得了有限的效果，最終不得不承認原有的CompactPCI規範不能滿足電信套用對單板空間、功耗、頻寬、系統管理的要求，新的標準則應運而生。一系列家族式的規範： PICMG 3.0 規範的標題為先進的通訊計算機架構,簡稱ATCA,但這會帶來一些混淆，因為 ATCA是指的一系列規範，PICMG 3.0 只是其中一個。事實上PICMG 3.0 有別於其它PIC MG 規範，它是由一個核心規範-- PICMG 3.0和一系列輔助規範組成。ATCA家族中的核心規範定義了ATCA系列規範中的機構、電源、散熱、互聯、系統管理部分;輔助規範內容則定義了在核心規範中互聯的傳輸方式. 。實質上，核心規範定義了板對板通訊的點對點聯接，而輔助協定定義了這些點對點聯接的協定、規範。現今，四個輔助協定已經被確認通過,它們是：3.1 以太和光纖傳輸；3.2 InfiniBand 傳輸；3.3 星形傳輸；3.4 PC I Express傳輸。另一個輔助協定PICMG3.5---高級結構互聯/串列高速I/O傳輸正在制訂中。輔助協定的靈活性帶來了易用性;ATCA產品的整合製造商將需要更多關注熱門系統平台中板卡使用的輔助協定。一個使用PICMG3.1---以太和光纖傳輸的單板將不能和一個使用PICMG 3.2---InfiniBand傳輸的單板在架構中進行通訊。單板規格介紹： PICMG 3.0機構要求主要來自於對600mm ETSI 和19” EIA標準機櫃空間使用的研究。PI CMG 3.0委員會在考慮單板尺寸能支持下一代元器件對物理和散熱的需求的同時，機箱空間能和板子能達到最大限度的配合和利用。最初的工作是基於歐規卡的標準，繼而又提升到支持低成本的片狀金屬架構(簡單電訊封裝)。對後走線模組的支持滿足了對後I/O套用的需求。在決定可以使用的單板空間時，也充分考慮了前、後板的進深範圍以供大量電纜束綁空間。經過對不同規格尺寸的單板的優點進行討論之後，PICMG 3.0組織統一規格如下：前板 8U x 280mm，進深1.2” pitch，選配後板8U x 70mm深。基於1.2” pit ch，19” EIA機框可以支持14槽，而600mm ETSI的機框可以支持16槽。下圖所示為600m m ETSI機架中的ACTA前後單板的側視圖： ETSI機架中前後ATCA單板的側視圖電源介紹： PICMG 3.0 單板功耗最高 200瓦，儘管就當今的矽技術而言，200W看上並不起眼，但是一框有16個200瓦單板的機框功耗就達到3200瓦，一個機架里如果有三框其功耗就達到了 10K瓦。板子功耗高於200瓦，寬度就要翻倍,而這些板子就需要藉助兩槽寬度用於散熱。當功耗是200W時，給單板引入直流低點壓（3.3V，60A）變得不可行。標準的通訊設備是 48V，200W時輸出是4A。在多數電信環境，具備48V DC電源，因而不用提供電源框。在電源供給上引入雙冗餘電源用以消除電源供給異常所引發的單點故障。電源聯接頭的針腳包括用來確定PICMG3.0單板正確插入位置的調整針,以及電源管理針腳。 PICMG 3.0 Power Connector PICMG3.0 電源接頭傳輸簡介： PICMG 3.0包含多種傳輸，這些傳輸模式如圖由下而上依序提供系統管理層、控制層、資料層等的聯接。系統管理是基於一條與各槽位都相連的I2C 雙串列信號線, 系統管理信息則是基於IPMI規範被擴展到在PICMG3.0規範中使用。系統管理匯流排也是冗餘方式確保在一條匯流排故障情況下，管理信息仍正常傳遞。在資料層旁邊的控制層稱作Base 接口 (Base Interface)，Base接口是一個雙星型的拓撲結構具有冗餘的交換刀片和乙太網BA ST-T信號,在PICMG 3.0中提供IP傳輸，這點在架構定義上非常像PICMG 2.16。PICMG 3. 0單板的高速數據傳輸是通過Fabric接口 (Fabric Interface)，Fabric接口是基於3.12 5Gbps SERDES信號，可以在星型和全網狀結構中支持10Gb的傳輸速率。正如上面提到的，PICMG 3.0核心規範定義了Fabric接口的信號和互聯，而輔助規範定義了用於傳輸的協定。PICMG 3.0 背板的互聯支持全網狀Fabric接口，雙星型Base接口和冗餘的系統管理，如下圖所示：總結： PICMG 3.0規範是PCIMG組織制訂有史以來最大的規範---460頁的長度令人嘆為觀止。本文只是對PICMG3.0架構進行基本的介紹，未涉及PICMG3.0的其它部分，如震鈴(Ring) 和 測試(Test) 匯流排，更新信道 (Update Channel)，時鐘同步(Synchronization Clocks ) ，系統管理能力等等。儘管PICMG 3.0規範已經發布，委員會仍然每周舉行電話會議，回顧並解決一些未參與制訂PICMG 3.0規範的廠商參閱PICMG 3.0規範開發產品時產生的模糊認識和誤解。值得一提的是，在制定此規範時許多來自於競爭對手之間的協作: PICMG 3.0組織有最好的設計師和天才工程師，儘管他們來自相互競爭的公司，大家坐下一起來討論電信計算機設備的發展的藍圖，並最終把眾多不同的觀點和理念融合成PICM G3.0規範，這無疑是產業界合作的最佳典範。
在制定PICMG3.0規範的過程中一個費時費力的工作是對承載數據傳輸的連線器的選擇。雖然對連線器的特性需求已經被大家很好的理解，但是規範制定小組希望在現今市場中的性價比較好的連線器中做選擇。經過數月的介紹調查，並最終以正式的投票表決方式確定了3.0規範的連線器――ZD。此連線器的製造商是Tyco Electronic Packaging Corporation (Tyco) 和 ERNI Group of Companies (ERNI)。ZD連線器是針對滿足高速差分信號而設計的，針腳外觀視圖是兩根差分信號針位於一鍬狀禁止層內。
配對連線器
ZD 配對連線器
ZD連線器的一對具有鍬狀禁止層的差分針腳有效減小了標準針腳以及針穴互連的相互影響。PICMG的仿真結果表明ZD可以完全滿足3.125GHz 信號傳輸，甚至將來可以把信號頻率提得更高。另外值得說明的是1個ATCA單板可以依照其連線（雙星型或全網狀）需求使用1到5個ZD連線器。
ATCA Fabric 接口信道是建立在LVDS(低壓差分信號, Low Voltage Differential Signaling )差分對 ( differential pairs) 基礎之上，電氣特性需求是建立在3.125GHz SERDES 信號基礎之上。數據編碼使用8b/10b 編碼機制 , 並指定交流電信號對接以防止直流電邏輯層面上的數據傳輸的干擾。ATCA中兩個板子的最小連線單元稱作通路(channel)，一個通路(channel) 由4個埠 (port) 組成，每個埠(port) 又由兩對差分信號(differential pair) 組成，構成了ATCA Fabric 接口的最小連線單元。連線埠的兩對差分信號被映像成一收一發的傳輸模式。
接口差分
ATCA Fabric 接口 差分對(differential pair)、埠(port)、通路(channel)的ZD 針腳映像
在典型的編碼機制下，一個埠可支持5Gb/s全雙工的數據傳輸速率，也就是一個通路支持20GB/s全雙工的數據傳輸。
ATCA 規範制定各個單板之間有一個通路連線，當3.0規範最初制定時，通路被認為只是支持單一的傳輸協定如乙太網。在這種架構中通路只是最小的連線單位。隨著PICMG 3.1的演進，規範制定組織開始討論在一個通路中使用多種傳輸協定的可能性，最終大家統一最小的連線單元是連線埠(port) 而不是通路 (channel) ，此項決定允許PICMG 3.1 組織把光纖信道連線加入到定義乙太網連線的章節中。PICMG 3.1規範是一個很好的範例描述一個信道中的連線埠如何被使用來支持不同的傳輸協定。
由上表可見，一個PICMG3.1構架的機箱可支持9中不同的配置模式，可為各種套用提供定製Fabric 接口通路的選擇。在上面的範例中，PICMG 3.1在一個通路中混合光纖信道和乙太網口。AdvancedTCA規範還允許迥異的協定共存於一個通路中，超越了PICMG 3.1規範所定義的內容。AdvancedTCA支持OEM自定協定，允許在一個通路中除了PICMG 3.x協定之外，可以混合其它多種OEM協定。下面的例子描述了在一個通路中4個連線埠分別用於支持PICMG 3.1, PICMG3.2 和 一個 OEM 協定。
多種規範
多種ATCA子規範
一個通路中包含多種ATCA子規範
必須了解一個概念―只有兩個單板之間的Fabric接口互聯才是所謂的通路。需要支持多種協定的套用要嘛得選擇針對每個槽位分割協定，要嘛就把多種協定混合在一個通路中。對於Fabric 接口，一個重要的組件是電子鑰匙(Electronic Keying)，ATCA標準針對Fabric接口定義了電氣特性要求，以便於單板上運行的乙太網，InfiniBand，星型結構(StarFabric)，PCI Express 或者其它OEM協定都可以在電氣上做到兼容。也就是說所有協定使用的電壓等級都是相同的，這樣的話當一個乙太網單板插入機箱時，如果乙太網口的另一端跑的是一個OEM 協定時，這塊單板不會損壞。電子鑰匙的職能是當已經確認連線埠的兩端是相互兼容的協定時，才允許連線埠的資料流通。
AdvancedTCA Fabric接口
AdvancedTCA Fabric接口是針對為下一代計算平台提供相應流量頻寬而設計的架構。全網狀連結( full mesh) 的AdvancedTCA 機箱可以提供3.125GHz 信號 在 8b/10b 編碼模式下高達2.1Tb/s的數據傳輸。同時能夠在一個通路中的多個連線埠中支持多種不同的傳輸協定，使得套用架構設計者可以針對套用的特定需求自行定製數據傳輸方式。加之電子鑰匙使得兩端中具有兼容協定的連線埠能開啟並匹配工作，ATCA子系列規範定義了連線埠可以使用的傳輸協定。AdvancedTCA的使用者需要對單板上所使用的Fabric 接口需求給予額外關注以確保當電源開關打開時，整個系統能夠工作。了解Fabric接口是成功購買及使用AdvancedTCA的關鍵。
