White Paper "ATCA Nouvelle Génération" (004), Schroff GmbH/Pentair Technical Products

White Paper – Nouvelle génération AdvancedTCA

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Nouvelle génération AdvancedTCA

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Sommaire :

1. Introduction : le standard PICMG 3.0 "AdvancedTCA"

2. Les développements futurs guidés par les exigences du marché

3. Concrétisation des exigences du marché

3.1 Carte-mère : performances accrues et réduction des coûts

3.2 Capacité de refroidissement : 300 W requis par cartes avant et 30 W par modules RTM

3.3 Consommation de puissance - alimentation électrique des cartes

3.4 La nouvelle génération de systèmes AdvancedTCA

4. Shelf management

5. Essais

6. Conclusion

7. Présentation de la société et informations relatives aux auteurs

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1. Introduction : le standard PICMG 3.0 "AdvancedTCA" L'architecture AdvancedTCA (Advanced Telecommunication Computer Architecture) est le premier standard multi-fabricants et multi-utilisateurs dédié à la transmission haut débit et aux nouveaux services de communications dans le domaine des télécommunications. AdvancedTCA a été initié fin 2002 par le PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) sous le nom PICMG 3.0 Rev. 1. Les cartes AdvancedTCA sont capables de transférer, traiter et analyser un large volume de données en temps réel. Les systèmes AdvancedTCA sont typiquement mis en oeuvre dans les applications à grand volume de données nécessitant un haut débit et une disponibilité de 99.999% (carrier grade). Ces importants volumes de données sont rencontrés, par exemple, dans les passerelles de serveurs média lorsque le contenu multimédia tels que le codage numérique de la voix, du son ou des images est traité ou transmis. Les systèmes carrier grade, tels que les serveurs, qui fonctionnent avec des niveaux de fiabilité très élevé, sont surtout utilisés par les télécommunications et les fournisseurs d'accès Internet qui ont des exigences de fiabilité très élevées. Les applications scientifiques, qui impliquent l'extraction, le traitement et le stockage des données pour les travaux de recherche scientifique, sont également en progression. Principales caractéristiques des systèmes AdvancedTCA :

• Architecture modulaire et taux de transfert jusqu'à 2.5 Tb/s • Redondance et Hot-swap des principaux composants du système • Disponibilité 99.999% (95) • Nombreuses configurations • Différents protocoles pour interfaces rapides

(p.ex. Ethernet, InfiniBand, Star Fabric, PCI Express and Rapid I/O) 2. Les développements futurs guidés par les exigences du marché Grâce à des workshops organisés à intervalles réguliers et des relations privilégiées avec les utilisateurs, le standard AdvancedTCA a rapidement été adopté par l'industrie; les premiers systèmes AdvancedTCA ont été concrètement mis en service courant 2005. Avec l'utilisation de ces systèmes pour l'ensemble des supports de transmission et de commutation (backbone core network), les exigences en matière de capacité de transfert ne cessent d'augmenter. Les applications multimédias telles que la vidéo à la demande, l'Internet mobile, web 2.0, webinars, etc. ont contribué à cette demande. L'augmentation du débit de

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données par l'ajout de matériel hardware étant très coûteux, une solution alternative consiste à augmenter le taux de transfert des données. La carte-mère, actuellement à 25 Gbit/s, n'est pas la seule responsable du 'goulot d'étranglement' dans un système AdvancedTCA. Si un taux élevé de données doit être transféré, les cartes AdvancedTCA doivent être équipées de chipset plus puissants, tels que des processeurs quad-core. Cependant, l'utilisation simultanée de chipsets aussi puissants et de carriers AdvancedMC comptant jusqu'à quatre cartes AdvancedMC, entraîne une augmentation de la consommation de puissance et donc de la dissipation de chaleur dans le système. 3. Concrétisation des exigences du marché Schroff est un des premiers fabricants à proposer une nouvelle série de systèmes AdvancedTCA standard. La carte-mère 40G (4 ports parallèles à 10 Gbit/s) intégrée permet de doubler la vitesse de transmission par rapport à la génération actuelle. A l'origine de cette évolution technologique, des cartes AdvancedTCA avec des chipset encore plus puissants (10 Gbit/s Ethernet) et des taux de transfert toujours plus élevés, pour répondre à l'explosion des masses de données à traiter. Lors de l'AdvancedTCA Summit qui s'était tenu en octobre 2009, les premiers fabricants avaient annoncé une augmentation du taux de transfert à 40 Gb/s (4 voies à 10 Gb/s) pour 2010, ce qui est chose faite ! 3.1 Carte-mère : performances accrues et réduction des coûts Lors de la définition du standard AdvancedTCA en 2002, le taux de transfert était de l'ordre de 10 Gbit/s (4 ports à 3.125 Gbit/s, codage 8/10). Aujourd'hui, les cartes-mères sont à typiquement 20 Gbit/s (4 ports à 6.25 Gbit/s), les plus récentes à 40 Gbit/s. La première génération de cartes-mères Schroff Full-mesh disposait d'un taux de transfert de 10 Gbit/s (4 x 3.125 Gbit/s) et de 38 couches. Les cartes-mères 40 Gbit/s actuelles ne possèdent plus que 22 couches.

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La mise en œuvre du matériau type FR4 présentant un excellent rapport qualité/prix est toujours possible. Des matériaux plus coûteux, tels que Nelco etc., ne sont pas requis pour les cartes-mères standard, mais peuvent être employés à la demande du client. Des rapports d'essais sont disponibles sous www.schroff.fr/rapportsdessais.

Diagramme de l'oeil Essais cartes-mères 3.2 Capacité de refroidissement : 300 W requis par cartes avant et 30 W par modules arrière RTM (Rear Transition Module) En plus des caractéristiques de haut débit, la forte dissipation thermique des cartes est un problème croissant à ne pas négliger lors du développement des systèmes AdvancedTCA. Pour un châssis de 14 ou 16 slots, équipé de cartes montées verticalement, une distinction est faite entre le refroidissement de type push (aspiration) et celui de type pull (extraction); pour un châssis de 2 à 6 slots avec cartes montées horizontalement, une solution combinée de type push/pull est déployée. Dans le cas du refroidissement par aspiration (push), les ventilateurs positionnés sous les cartes insufflent de l'air froid dans le châssis. Dans le refroidissement par extraction (pull), les ventilateurs sont montés au-dessus des cartes afin d'aspirer l'air chaud et de l'évacuer en dehors du châssis.

Ventilation par aspiration (Push cooling) Ventilation par extraction (Pull cooling)

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La spécification AdvancedTCA imposait à l'origine une dissipation de 200 W/slot (avant) et de 5 W par modules RTM (arrière); la première génération de châssis 14 et 16 slots était équipée de ventilateurs diagonaux, les plus puissants alors disponibles. Aujourd'hui, les systèmes nécessitent une capacité de refroidissement de 300 W par carte avant et 30 W par modules RTM. Avec un objectif ΔT de 10 K, le refroidissement est un nouveau challenge et les ventilateurs diagonaux ont été remplacés par des ventilateurs axiaux ou radiaux plus puissants. Les châssis étant soumis à des contraintes d'espace, l'espace alloué aux ventilateurs ne peut être augmenté indéfiniment. La hauteur des châssis est limitée à 13 U pour qu'une baie de hauteur 42 U puisse intégrer 3 systèmes. Les 3 U restants sont réservés au coffret de distribution de puissance. L'unique moyen d'augmenter le débit des ventilateurs est d'augmenter leur vitesse de rotation et la puissance des moteurs. La puissance absorbée des ventilateurs était à l'origine de l'ordre de 140 W; elle est aujourd'hui de 420 W, ce qui représente 10 à 15% de la consommation de puissance globale d'un châssis 16 slots. La génération actuelle de ventilateurs montée dans un système AdvancedTCA 14 slots garantit un débit d'air de 1170 m³/h (~ 695 cfm) et 4,5 kW de dissipation de chaleur; et ces données continueront à augmenter. Même s'il est encore possible pour la chaleur résiduelle provenant des systèmes individuels d'être dissipée en utilisant l'air comme fluide de refroidissement, les baies contenant trois systèmes sont aujourd'hui refroidies à l'aide d'un échangeur thermique air/eau capable d'éliminer jusqu'à 40 kW de chaleur. Le niveau sonore des ventilateurs a été défini pour divers cas de figure. Dans le cas du dysfonctionnement d'un ventilateur, aucune limite n'a été fixée. La vitesse des ventilateurs encore opérationnels est portée au niveau 15 afin de protéger les cartes, et si nécessaire, d'effectuer un arrêt contrôlé du système. En mode de fonctionnement normal, les ventilateurs tournent aux niveaux 5 ou 6, ce qui correspond à 67 dB(A).

Vitesse de l'air par slot en fonctionnement normal

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3.3 Consommation de puissance - alimentation électrique des cartes Les cartes AdvancedTCA consommant toujours plus de puissance, les alimentations électriques développées pour la première génération de systèmes AdvancedTCA ont atteints leurs limites d'un point de vue de la performance. Pour des besoins de redondance et de sécurité, chaque système est divisé en quatre branches, chacune protégée par un fusible. L'alimentation -48VDC a été sécurisée via deux Power Entry Modules (PEM). Pour satisfaire la demande croissante en puissance, les fusibles ont été remplacés par des disjoncteurs magnéto hydraulique qui peuvent être chargés jusqu'à l'intensité nominale. En augmentant le nombre de branche à 6, il est possible de maintenir le courant par branche à 30 A.

Power Entry Module (PEM) avec 4 power branches (à gauche) et 6 power branches (à droite)

3.4 La nouvelle génération de systèmes AdvancedTCA La nouvelle génération de systèmes AdvancedTCA a été développée pour satisfaire les besoins croissants en taux de transfert et capacité de refroidissement dans le domaine des télécoms.

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D'autres secteurs ont également montrés un intérêt croissant pour la spécification AdvancedTCA : les tests & mesures, le médical, la défense et la recherche. Les utilisateurs potentiels dans le domaine de la recherche nucléaire ont entre temps créé un nouveau groupe de recherche au sein du PICMG (Physics Group, WG1), afin d'établir une spécification qui réponde à leurs besoins particuliers : cartes RTM Full-size et cartes nécessitant plus de 400 W de puissance de refroidissement. Un autre groupe nommé "AdvancedTCA Extension" a nouvellement été constitué pour représenter le secteur des datacoms et les fabricants de serveurs dont les besoins en refroidissement et en alimentation (près de 400 W) par carte sont assez proches du WG1. S'ajoutent les besoins en cartes avant et RTM de taille identique, ainsi que 2 cartes-mères par châssis. 4. Shelf management La spécification PICMG 3.0 (AdvancedTCA) est le premier standard ouvert dédié aux systèmes électroniques qui intègrent des modules électroniques assurant la gestion globale du châssis. Tous les aspects du Shelf Management sont décrits sur 130 pages, avec références faites à d'autres standards. Lors de la rédaction de cette spécification, l'accent a été mis sur la standardisation des fonctions les plus importantes, nécessaires pour assurer l'interopérabilité des composants du châssis. L'intégration effective du châssis est confié au fabricant / intégrateur du châssis. Dans la configuration la plus usuelle, le Shelf Manager est hébergé sur une carte enfichable ayant un emplacement dédié. Dans une autre variante, le Shelf Manager est intégré sur les 2 cartes Hub. Ces cartes Hub agissant en tant que cartes 'switch', cette version est recommandée.

Shelf Manager basé sur la technologie Shelf Management Pigeon Point ShMM

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5. Essais Afin que l'ensemble des composants d'un système travaillent en harmonie les uns avec les autres, il est essentiel de s'assurer de leur compatibilité et de les tester en conditions réelles. La communication et la gestion sont bien plus sophistiquées au sein d'un tel système que, par exemple, dans un système VME ou CompactPCI. Cette complexité nécessite une étroite collaboration au sein de l'équipe de développement. Dès la phase de conception, les points chauds sont mis en évidence grâce à un logiciel de simulation thermique et éliminés avant le prototypage. Les prototypes passent ensuite de nombreux tests de vérification de design (DVT-design vérification tests). Avant la production série, tous les composants du système sont testés dans nos propres laboratoires CEM et thermique, dans les conditions les moins favorables ("worst case"). Les résultats de ces essais permettent d'établir une liste d'actions ciblées en vue de la prochaine étape de développement. 6. Conclusion

Les évolutions fulgurantes de la technologie rehaussent le niveau des exigences de la part des clients. Les entreprises se doivent de reconnaître et de répondre rapidement à ces tendances afin de satisfaire les besoins des clients. Un autre avantage réside dans la diversification des compétences représentées sur un même site telles que le développement (construction mécanique, conception des cartes, développement électronique), la production et l'intégration. Avoir un réseau commercial mondial, avec des spécialistes produits à proximité, complète cette compétence globale.

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7. Présentation de la société et informations relatives aux auteurs Leader dans la conception et la fabrication d'habillage pour les secteurs de l’électronique, de

l’automatisme, des réseaux et des télécommunications, la société Schroff (www.schroff.biz)

propose une large gamme de produits standard, à la pointe de l'innovation et de la qualité:

baies, coffrets, bacs à cartes, alimentations, cartes-mères et systèmes d'intégration pour

cartes à microprocesseur. Disposant d'un service Intégration, les clients Schroff ont accès à

des systèmes 19" prêts pour l'installation et l'utilisation (Plug&Play).

Pentair Technical Products, une division (Global Business Unit) du groupe Pentair Inc., est

l'un des leaders mondiaux en matière de solutions et de services pour l'habillage, la

protection et le refroidissement de systèmes électriques et électroniques. Pentair Technical

Products regroupe les entités Hoffman®, Schroff®, McLean® Cooling Technology,

Calmark®, Birtcher®, Aspen Motion TechnologiesTM et TaunusTM qui proposent une gamme

diversifiée de solutions standard, modifiées ou personnalisées pour les marchés des

télécommunications, de l'énergie, de l'électronique, de l'industrie, des transports, du

ferroviaire, du médical, de la sécurité et de la défense.

Oliver Kistner est ingénieur télécoms. Arrivé chez Schroff/Pentair Technical Products en tant

qu'ingénieur de développement pour les alimentations électriques, il est aujourd'hui

responsable Etudes/développements des modules dédiés aux alimentations électriques, aux

PEM AdvancedTCA et à l'électronique de gestion des ventilateurs.

Andreas Lenkisch est ingénieur chargé du développement des cartes-mères chez Schroff /

Pentair Technical Products. Il se concentre notamment sur l'intégrité des signaux dans les

conceptions haut débit. Andreas Lenkisch a déposé de nombreux brevets; il est membre de

plusieurs comités de normalisation tels que VITA, PICMG et IEEE802.3.

Dietmar Mann est ingénieur en mécatronique, diplômé de l'université de Karlsruhe. Chez

Schroff depuis 1995, il a occupé diverses fonctions dont coordinateur technique au sein de la

filiale japonaise durant 3 ans. Il est actuellement en charge du développement des modules

de gestion des systèmes.

Martin Traut est ingénieur industriel, diplômé de l'université de Karlsruhe. Entré chez Schroff

en 1990, il est aujourd'hui responsable de la plate-forme 'Systèmes intégrés' (CompactPCI,

VME, AdvancedTCA).

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