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designideas
2003年7月号
産業用バス・ボード、
コンパクトPCIの次を模索


産業用バス・ボード・システムの代表であるコンパクトPCIバス・システムが、性能向上の壁にぶつかっている。PCIバス技術ではあまりデータ転送速度を上げられないからだ。そこでPCIバスとの整合を保ちながら、高速のシリアル伝送技術をバックプレーンに導入して性能の向上を図る。いくつかの標準仕様がすでに提案されている。いずれはPCIバスを切り離し、新たなバス技術を主体とするシステムに移行しよう。

ワレン・ウェブ
Warren Webb
 テキスコンパクトPCIバス*・ボードのベンダーが、将来製品に向けた新技術の開発を再び加速し始めた。高速の相互接続を目的とした新しい標準規格を策定すると共に、信頼性を向上させ、管理と保守を容易にしつつある。
 ボード・ベンダーは通信事業における局側機器の市場を広げる一方で、通信機器以外の応用分野にも入り込もうと考えている。より高いデータ転送速度と極めて短いサービス停止時間という顧客の新たな要求に応えるため、コンパクトPCIバス・ボードの開発企業は次世代システム向けに技術仕様を改良中である。まずは、コンパクトPCIバス以外の入出力バス技術によるバックプレーン・バスを付加する。さらには、バス・ボード・システムを全面的に見直そうとしている。
 業界団体であるPICMG*(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)は、低いコストのデスクトップ・ハードウエアを小さなフォーム・ファクター(形状仕様)で実現する目的で、コンパクトPCIバスの規格仕様を策定した。コンパクトPCIバス規格は、ボード・ベンダーによる開発しやすさを狙った技術仕様である。パソコン用に開発されたPCIバス・コントローラーとPCIバス・システム用ソフトウエアを流用できるようにした。
 コンパクトPCIボードの形状仕様は、ユーロカード規格と同じ3U(100mm×160mm)と6U(233.35mm×160mm)の2種類である。一般的なのは6Uボードだ。6Uボードは後部に5個のコネクターを搭載する。そのうち2個はコンパクトPCIバス用コネクターである。残りの3個はユーザーが仕様を定義できるオプション用コネクターだ。ユーザーは最大315ピンを定義できる。
 1つのコンパクトPCIバス・ボード・システムは1個のシステム・スロット(CPUボードの接続用スロット)と最大7個の周辺スロット(入出力ボードの接続用スロット)で構成される。システム・ボード(CPUボード)はシステム内のすべてのボードに対するアービトレーション(調停)とクロック分配およびリセットの機能を備える。入出力ボードはPCIバス・スレーブ、インテリジェント・スレーブ、PCIバス・マスターのいずれかになる。
 ユーザーの要求に応えるため、PICMGはコンパクトPCIに新たな技術仕様を追加してきた。例えばシステムを停止させることなくボードを差し換える、ホットスワップ(活線挿抜)機能の仕様を策定した。ホットスワップ仕様では、差し換えるべきボードを避けて信号が流れるようにバックプレーンを設定できる。従ってそのためのハードウエアとソフトウエアを必要とする。そのほかバックプレーン用の信号として、計測用やコンピューター・テレフォニー用、管理用、バックアップ・バスなどを標準化してきた。
 しかしデータ転送速度が高まるにつれ、コンパクトPCIバス・システムではPCIバスの性能限界をユーザーが感じるようになってきた。PCIバスのクロック周波数を当初の33MHzから高めようとすると、スロット数の制限という問題にぶつかるからだ。バス・システムが収容できるボード数は、バス・クロックが33MHzのときには8枚だったが、66MHzになると4枚に減ってしまうのである。133MHzではわずか1枚になってしまう。
 利用できるスロット数を増やすため、コンパクトPCIバス・ボードのベンダーはこれまで、PCI-PCIブリッジ技術を採用してきた。しかし高速のシステムでは、ブリッジの遅延時間を容認できないことがある。また高可用性*という最近の要求は、PCIバスやコンパクトPCIバスなどの共有バスという考え方そのものに疑問を投げかけ始めている。共有バス・システムでは、あるボードの故障がバス・システム全体の動作を停止させたり、ほかのボードを動作不能にしたりする可能性があるからである。
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イーサーネットを追加

 そこでPICMGは、新たな高速インターフェース技術をコンパクトPCIバスに取り込みつつある。例えばコンパクトPCIバス仕様に、イーサーネットのパケット・スイッチ・アーキテクチャーを追加したPICMG 2.16規格がある。コンパクトPCI PSB(Packet-Switching Backplane)とも呼ばれる。
 PICMG 2.16規格では、イーサーネット技術によるデュアル・スター型ネットワークをコンパクトPCIバス・ボード同士がきょう体内で構成する。すなわちデータ転送の手法を共有バスのPCIバス技術から、イーサーネット技術へと移行させてデータ転送速度を上げる。10M/100M/1000Mビット/秒のイーサーネット技術を利用することによってユーザーは、既存のコンパクトPCIバス・ボードや部品などを変更することなく、データ転送速度を大きく高められる。
 イーサーネット通信には、J3コネクターを利用する。ボードは通常のネットワーク・プロトコル・スタックを利用して通信処理を実行する。イーサーネット・ケーブルでほかのきょう体と接続すれば、仮想の大規模バックプレーンを構築できる。イーサーネットは世界中に普及している。従ってPICMG 2.16準拠システムの開発では、イーサーネットの豊富なハードウエアとソフトウエアを利用できることになる。
 PICMG 2.16に準拠した製品の例を挙げよう*1)。英コンカレント・テクノロジーズ社*のコンパクトPCIバス・ボード「PP 120/01x」は、PICMG 2.16を含むいくつかのPICMG規格仕様に準拠する(図1)。動作周波数が933 MHzの低電圧版ペンティアムIIIプロセッサーを2個搭載したシングル・スロット・ボードである。4チャンネルのギガビット・イーサーネットをサポートする。
 主記憶は1GバイトのECC*付きSDRAMである。メモリー・バスの動作周波数は133MHz。外部インターフェースとしてはUltra 160 SCSIインターフェースと、66MHzの64ビットPMC*スロットを搭載する。また2.5インチ型ハード・ディスク装置あるいはコンパクトフラッシュ装置を組み込めるEIDE*インターフェースを備える。周辺機能としてはリアルタイム・クロック、フロッピー・ディスク装置インターフェース、RS-232インターフェース(2チャンネル)、USBポート(2ポート)、パラレル・プリンター・ポート、ウオッチドッグ・タイマー、キーボード/マウス・インターフェースなどがある。
 プロセッサーの放熱機構は冷却用ファンではなく、ヒート・シンクである。信頼性の確保を重視したからだ。OSはリナックスとウインドウズ、QNXをサポートする。大量購入時の価格は2988米ドルからである。
 米ゼネラル・マイクロ・システムズ社*も、PICMG 2.16に準拠したコンパクトPCIバス・ボード「C269 Equinox」を供給している(図2)。動作周波数が1.6GHzの低電圧版ペンティアム4 Xeonプロセッサーを2個搭載した。
 C269 Equinoxは、メモリー転送と入出力データ転送のために4ポートのハブ技術を採用した。プロセッサーの性能を最大限に引き出すためである。1つのポートが4Gバイト/秒で動く。4ポートの中で1ポートは、ユーザー・カスタム用の入出力拡張バスになる。
 このボードはギガビット・イーサーネットを2チャンネル備える。後部の入出力ピンを介してPICMG 2.16規格のチャンネルAとチャンネルBをサポートするか、あるいは後部のデータ転送用入出力モジュールにアクセスする。
 外部記憶装置用インターフェースはUltra SCSI-320インターフェースである。シングル・エンド伝送と差動伝送の両方で最大320Mバイト/秒の転送速度をサポートできる。またハード・ディスク装置やCD-ROM装置、フラッシュ・メモリー利用のディスク装置などのために2チャンネルのUltra DMA-133 IDEインターフェースを用意した。COMポート(2ポート)やフロッピー・ディスク装置用インターフェース、リアルタイム・クロック、キーボード・インターフェース、マウス・インターフェースなども搭載している。OSはウインドウズ NT/2000、ソラリス x86、VxWorks、QNX、リナックスをサポートする。価格は2400米ドルからである。

仮想的なバックプレーン

 データ転送速度を向上させるためにスイッチド・ファブリック*技術を導入した規格仕様がPICMG 2.17である。スイッチド・ファブリック技術の一種であるスターファブリック*技術を採用した。コンパクトPCIバス・システムのいくつかのスロットにスターファブリックのボードを搭載することによって、ポイント・ツー・ポイントの相互接続を確立する。既存のPICMG規格仕様との互換性を維持しながら、さらに高い速度のデータ転送を実現できる。
 PICMG 2.17は、集中型(centralized)と分散型(distributed)の2種類のトポロジーを定義している(図3)。集中型トポロジーの場合、きょう体内のすべてのスロットを相互接続するファブリック・ボードをシステムに組み込む。ファブリック・ボードの枚数は1〜2枚である。冗長性を備えた大規模なシステムを構成できる。分散型トポロジーの場合は、各ボードがスイッチング機能を備える。スイッチ専用のボードは必要ない。比較的小さなシステムに向く。
 米オーロラ・テクノロジーズ社*は、PICMG 2.17準拠のボード・システム開発用に、スターファブリック開発キットを販売している(図4)。この開発キットは、同社のファブリック・ボード「CP-SFX8」と8スロットのPICMG 2.17準拠バックプレーン、コンパクトPCIのアルミニウム製きょう体で構成される。6Uのファブリック・ボードであるCP-SFX8を組み込むことによって、集中型トポロジーのシステムをきょう体内に実現できる。
 CP-SFX8は、バックプレーンに対して8チャンネルのリンクを供給する。そのデータ転送速度は1ポート当たり5Gビット/秒である。またフロント・パネルには、外部きょう体への接続用リンクを2チャンネル備える。搭載できるOSはウインドウズあるいはリナックスである。またシステム格納用のきょう体は、8枚の6Uボードを収容できる。スターファブリック開発キットの価格は4900米ドルからである。
 別の高速化技術もある。セル・ベースのデータ転送を利用したポイント・ツー・ポイントのシリアル通信で構成されるバックプレーン(CSMB:CompactPCI Serial Mesh Backplane)を定義したのがPICMG 2.20規格である。このアーキテクチャーではデータ転送速度を最大で700Gビット/秒まで高められる。また複数のプロトコルによるトラフィックを同時に処理できる。サポートするプロトコルはATM*IP*、フレーム・リレー、GPRSトンネリング・プロトコルなどである。
 米モトローラ社コンピュータグループ*(MCG:Motorola Computer Group)は、このPICMG 2.20規格仕様に適合したシステム「MXP3321」を発売した(図5)。MXP3321はマルチプロトコル・ルーターや第3世代携帯電話ネットワーク用機器、ゲートウエイなどの用途を狙う。2つのボード間の通信処理は、システム内のほかの部分がどのプロトコルで通信しているかとは無関係に動く。このため、多くの種類の処理を簡単に実行できる。なおMXP3321は、バックプレーンの高速リンクを実現するために米アルテラ社*のプログラマブル高速入出力LSI「Mercury」を採用している。

PCIバスから離れる

 残念ながらコンパクトPCIの規格書では、付録(addendum)のほとんどがオプション仕様の記述である。このため、さまざまな仕様のボードを設計しなければならないという負担がベンダーにのしかかる。
 例えば、あるベンダーのボードがPICMG 2.x規格仕様のいくつかに適合しているとする。しかしPICMG規格のほかの規格仕様に適合したボードとこのボードを同じコンパクトPCIシステムで組み合わせると、動かない恐れがある。
 コンパクトPCIボードの開発者はまた、標準の6Uボードと標準のきょう体では放熱に問題があるという不満を抱えている。
 そこでPICMGのメンバー企業では、高速のデータ転送に適した新たな共通仕様を策定する動きが出てきている。その1つは、形状仕様を含めて仕様を見直した「アドバンスドTCA(AdvancedTCA)*」である(p.62の「アドバンスドTCA、コンパクトPCIとの互換性を断ち切る」を参照)。AdvancedTCAは、PICMG 3.xと呼ばれていた規格と同じものだ。コンパクトPCIバス・システムとの互換性はない。バックプレーンは共有バスではなく、スイッチド・ファブリックとなっている。
 また、形状仕様としては現在のコンパクトPCI規格を利用し、バックプレーンにはPICMG 2.16規格、すなわちパケット方式のスイッチング技術を適用しようという動きもある。この共通仕様は「コンパクトTCA(CompactTCA)」と呼ばれる。米フォース・コンピュータ社*とモトローラ社コンピュータグループ、米パフォーマンス・テクノロジーズ社*米ピジョン・ポイント・システムズ社*米スタージェン社*米ズィーニックス・ネットワークス社*が規格策定団体「CompactTCAイニシアティブ」を2003年1月に設立した*2)。バックプレーンにはPCIバスは採用しない。またバックプレーンのオプション仕様として、PICMG 2.17(スターファブリック)とPICMG 2.20(CSMB)を用意した。
 これまで登場した一連の技術仕様はいずれも、並列バスである共有バス・アーキテクチャーの制約を乗り越えようとする試みである。シリアル伝送技術やスイッチド・ファブリック技術などを駆使して、複数のデータ・ストリームを同時に処理しようとする。特定企業が占有している技術ではないことと、代表的なボード・ベンダーがサポートしていることは、システム・メーカーにとってありがたい。
 コンパクトPCIの将来は依然として不透明である。ただし、PCIバスを切り離す方向にあることだけは確かだろう。 END  


アドバンスドTCA、コンパクトPCIとの互換性を断ち切る

 産業用PCIバス・ボードの規格策定団体であるPICMG(PCI Industrial Computer Manufacturers Group)はコンパクトPCI規格を当初、低コストのハードウエアとソフトウエアを工業用機器向けに提供する仕様だと考えていた。その後に通信ブームが巻き起こったことから、PICMGは通信機器の共通仕様としてコンパクトPCIの追加規格を策定するようになった。
 コンパクトPCIバス規格はすでに、最大データ転送速度や許容消費電力、形状仕様などが限界に来ている。そこでPICMGは、今後の基幹通信用機器に利用できる新たな規格仕様「アドバンスドTCA(AdvancedTCA)」を策定中である。コンパクトPCIバスよりも高い性能を実現すべく、AdvancedTCAでは並列バスではなく、スイッチド・ファブリック技術を採用した。
 AdvancedTCAは、PICMG規格3.xシリーズの別称である。基本仕様はPICMG 3.0規格で規定した。すなわちバス・システムの機構、ボードの形状、電力分配、電源コネクター、信号コネクター、システム制御などを定義している。ここではバックプレーンは共有バスではないものの、PICMG 3.0では具体的な実現技術の仕様は定義していない。PICMG 3.1以降の規格が技術仕様を定義する。現在はPICMG 3.1/3.2/3.3が予定されている。PICMG 3.1規格はイーサーネット技術、PICMG 3.2規格はインフィニバンド*技術、PICMG 3.3規格はスターファブリック技術について規定する。
 PICMG 3.x規格のボードは8Uサイズ(高さ322.25mm)である。奥行きは280 mm。きょう体へ格納したときのピッチは1.2インチ(30.48mm)である。欧州の通信標準規格による幅600mmのきょう体には16枚のボードを収容できる。一般的な幅19インチ(幅475mm)のラックだと、収容できるボードは12枚になる。
 ボードの面積は約140平方インチ(約903cm2)ある。6UサイズのコンパクトPCIボードでは約54平方インチ(約348cm2)だった。スイッチICやネットワーク・プロセッサー、汎用プロセッサー、メモリーICなどを実装できる面積が新たに増えたことになる。
 現在、高性能マイクロプロセッサーと周辺LSIは合計で100Wもの電力を消費している。コンパクトPCIバス・ボードをきょう体に格納したときのピッチは、従来の規格では0.8インチ(20.3mm)とあまり広くない。強制空冷を使用しても、ボード当たりの消費電力の許容値は50Wにとどまっている。
 そこでPICMG 3.xでは、ボード当たりの許容消費電力を200Wに上げることにした。きょう体全体では3kW前後の消費電力になる。この大きさでは、直流5Vあるいは直流3.3Vといった既存の電源電圧だと、600Aあるいは1000Aという現実的ではない電流量を要求するようになってしまう。そこでPICMG 3.xでは、 −48Vの直流電圧を2系統、ボードに供給する。各ボードが搭載したDC-DCコンバーターを介し、ボード上のデバイスに適切な電源電圧を供給する。
 PICMG 3.xは、3.0の規格仕様が公表されたばかりである*1)。すでにベンダー数社は、2003年1月に米カリフォルニア州ロングビーチで開催された「Bus and Board Conference」にPICMG 3.x準拠のボードやバックプレーン、きょう体などを参考出展した。
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用語解説 / 会社情報
【コンパクトPCIバス】
CompactPCI bus
PCIバスの仕様を産業用に修正したバス。電気的な仕様はPCIバスと同じ。機械的な仕様はVMEバスと似ている。
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【PICMG】
PCI Industrial Computer Manufacturers Group
コンパクトPCIバスなど、産業用PCIバス・ボードの規格を策定している業界団体。PICMGのホームページ・アドレスは下記の通り。
http://www.picmg.org/

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【高可用性】
high availability
障害が発生してもわずかな時間で正常な状態に復旧できること。年間を通じでほぼ無停止で稼働できる。
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*1)
このほかアドバネットやアドバンテック、インテル、フォース・コンピュータなどがPICMG 2.16準拠のバス・ボードを製品化している。
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【英コンカレント・テクノロジーズ社】
Concurrent Technologies Plc.
同社のホームページ・アドレスは下記の通り。
http://www.gocct.com/
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【ECC】
error correction code
誤り訂正符号
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【PMC】
PCI Mezzanine Card
電気的仕様がPCIバスに準拠した工業用サブボードの規格。
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【EIDE】
enhanced integrated drive electronics
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【米ゼネラル・マイクロ・システムズ社】
General Micro Systems, Inc.
同社のホームページ・アドレスは下記の通り。
http://www.gms4sbc.com/
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【スイッチド・ファブリック】
switched fabric
複数の入出力ポートと複数のスイッチで構成されるネットワーク。
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【スターファブリック】
StarFabric
スイッチド・ファブリック技術を通信機器向けに改良したネットワーク規格。米スタージェン社などが中心となって策定した。PCIバス・システムおよびコンパクトPCIバス・システムに組み込むことを狙う。詳細は本誌2002年5月号、p.45を参照。
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【米オーロラ・テクノロジーズ社】
Aurora Technologies, Inc.
同社のホームページ・アドレスは下記の通り。
http://www.auroratech.com/
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【ATM】
asynchronous transfer mode
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【IP】
internet protocol
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【米モトローラ社】
Motorola, Inc.
同社コンピュータグループのホームページ・アドレスは下記の通り。
http://mcg.motorola.com/index.cfm
国内連絡先はモトローラコンピュータグループ、電話03-5424-3101。MXP3321に関する日本語のリリースは下記で閲覧できる。
http://www.mot.co.jp/about/news/2002/1129.html
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【米アルテラ社】
Altera Corp.
同社のホームページ・アドレスは下記の通り。
http://www.altera.com/
日本法人は日本アルテラ。
http://www.altera.co.jp/
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【アドバンスドTCA(AdvancedTCA)】
Advanced Telecom Computing Architecture
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【米フォース・コンピュータ社】
Force Computers, Inc.
同社のホームページ・アドレスは下記の通り。
http://www.forcecomputers.com/
国内連絡先はフォース・コンピュータ。
http://www.forcecomputers.jp/
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【米パフォーマンス・テクノロジーズ社】
Performance Technologies, Inc.
同社のホームページ・アドレスは下記の通り。
http://www.pt.com
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【米ピジョン・ポイント・システムズ社】
Pigeon Point Systems
同社のホームページ・アドレスは下記の通り。
http://www.pigeonpoint.com/
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【米スタージェン社】
StarGen, Inc.
同社のホームページ・アドレスは下記の通り。
http://www.stargen.com/
国内連絡先はロッキー。同社のホームページ・アドレスは下記の通り。
http://www.kkrocky.com/
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【米ズィーニックス・ネットワークス社】
Znyx Networks, Inc.
同社のホームページ・アドレスは下記の通り。
http://www.znyx.com/
国内連絡先は丸文。同社のホームページ・アドレスは下記の通り。
http://www.marubun.co.jp/
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*2)
コンパクトTCAに関するリリースは下記で閲覧できる。
http://mcg.motorola.com/cfm/templates/pressrelease.cfm?PageID=2219
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【インフィニバンド】
InfiniBand
スイッチド・ファブリック技術を利用した入出力インターフェース技術。米インテル社などが普及を推進している。本誌2001年8月号、p.69に関連記事あり。技術の詳細は下記ホームページでも閲覧できる。
http://www.infinibandta.org/
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*1)
PICMG 3.0の規格仕様(簡略版)は下記ホームページから入手できる。
http://www.advancedtca.com/
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