White Paper "ATCA - Next Generation" (004), Schroff GmbH/Pentair Technical Products

White Paper – Next Generation AdvancedTCA

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Next Generation AdvancedTCA


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Inhalt:

1. Einleitung: Der PICMG 3.0 Standard "Advanced TCA“

2. Marktanforderungen bestimmen die Weiterentwicklung

3. Umsetzung der Marktanforderungen

3.1 Backplane: Gesteigerte Effizienz bei gleichzeitiger Kosteneinsparung

3.2 Kühlleistung: 300 Watt pro Frontboard und 30 W für RTM-Boards gefordert

3.3 Power Consumption - Stromversorgung der Boards

3.4 Die nächste Generation der AdvancedTCA-Systeme

4. Shelf Management

5. Tests

6. Resümee

7. Unternehmensportrait, Angaben zu den Autoren


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1. Einleitung: Der PICMG 3.0 Standard "AdvancedTCA“ Advanced Telecommunication Computer Architecture (AdvancedTCA) ist der erste hersteller- und anwenderübergreifende Standard für sehr hohe Datenverkehr und neue Kommunikationsservices in der Telekommunikation. AdvandecTCA wurde erstmals Ende des Jahres 2002 von der PICMG (PCI Industrial Computer Manufacturers Group) als PICMG 3.0 Rev. 1 verabschiedet. AdvancedTCA-Boards können große Datenmengen zeitnah transportieren, verarbeiten und analysieren. AdvancedTCA-Systeme werden typischerweise dort eingesetzt, wo ein hoher Datendurchsatz und große Datenmengen sowie eine Verfügbarkeit von 99,999 % (Carrier Grades) gefordert wird. Hohe Datenmengen fallen z. B. bei Media Gateway Servern an, wenn Multimedia-Inhalte, wie digital codierte Sprach-, Audio- oder Bildinformationen verarbeitet oder übermittelt werden. Carrier-Grade-Systeme, also Server, die mit einer sehr hohen Zuverlässigkeit arbeiten, werden vor allem von Telekommunikations- und Internetprovidern eingesetzt. Diese stellen sehr hohe Ansprüche bezüglich der Ausfallsicherheit. Hinzu kommen immer öfter Anwendungen im wissenschaftlichen Bereich, wie die Durchführung und Echtzeitprotokollierung spezieller Forschungsprojekte. Die Hauptmerkmale von AdvancedTCA-Systemen sind:

• Skalierbare Architektur und Bandbreite von bis zu 2,5 TBit/s • Redundanz und Hot-Swap Fähigkeit aller wichtiger Systemkomponenten • System-Verfügbarkeit von 99,999 % (95) • Modularität und unterschiedlichste Konfigurationen • Unterschiedliche Protokolle für schnelle Schnittstellen

(z. B. Ethernet, InfiniBand, Star Fabric, PCI-Express und Rapid I/O) 2. Marktanforderungen bestimmen die Weiterentwicklung Durch regelmäßige Workshops und engen Kundenkontakt erfolgte eine rasche Umsetzung des AdvancedTCA-Standards in die Praxis, seit 2005 werden die ersten AdvancedTCA-Systeme im Feld eingesetzt. Durch den Einsatz der Systeme als Basis für Core Networks und Backbones steigen jedoch die Anforderungen an den maximalen Datendurchsatz der Systeme kontinuierlich. Multimedia-Anwendungen wie Video-on-Demand, Mobile-Internet-Anwendungen, Web2.0, Webinars, usw. tragen hierzu bei. Da die Steigerung des Datendurchsatzes durch zusätzliche Hardware sehr teuer ist, versucht man Verbesserungen durch Erhöhung der Datentransferrate zu erreichen.


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Dabei bildet in einem AdvancedTCA-System nicht nur die Backplane mit momentan 25 Gb/s den Engpass. Um die hohen Datenraten auch verarbeiten zu können, müssen auch die AdvancedTCA-Boards mit immer leistungsstärkeren Chipsätzen z. B. Quadcoreprozessoren ausgerüstet werden. Mit den leistungsfähigeren Chipsätzen sowie dem Einsatz von AdvancedMC-Carriern mit bis zu vier AdvancedMC-Karten steigt aber auch die Leistungsbedarf und damit die Verlustleistung der Systeme. 3. Umsetzung der Marktanforderungen Schroff bringt als einer der ersten Hersteller eine neue Serie von Standard-AdvancedTCA-Systemen mit 40 G Backplanes (4 Lanes à 10 Gb/s parallel) auf den Markt. Dies stellt fast eine Verdoppelung der Datenübertragungsraten im Vergleich zur aktuellen AdvancedTCA-Generation dar. Hintergrund für diesen Technologiewandel sind AdvancedTCA-Boards mit noch schnelleren Chipsätzen (10 Gb/s Ethernet) und immer höhere Übertragungsraten sowie die bereits erwähnte Anforderung nach noch mehr Datendurchsatz. Auf dem AdvancedTCA Summit im Oktober 2009 haben die ersten Hersteller eine Steigerung der Datentransferrate auf 40 Gb/s (4 Lanes à 10 Gb/s) für 2010 angekündigt. Mit den neuen Standard AdvancedTCA-Systemen werden bereits jetzt diese Anforderungen erfüllt. 3.1 Backplane: Gesteigerte Effizienz bei gleichzeitiger Kosteneinsparung Bei der Definition des AdvancedTCA-Standards betrug die High-Speed-Datentransferrate der Backplane ca. 10 Gb/s (4 Lanes à 3,125 Gb/s, bei 8/10 Kodierung), aktuell können die Backplanes bereits 20 Gb/s (Nutzbandbreite, 4 Lanes à 6,25 Gb/s) übertragen. Die erste Generation der Schroff Full-Mesh Backplanes startete mit einer Übertragungsrate von 10 Gb/s (4 x 3,125 Gb/s) und einer Lagenzahl von 38. Heute werden Backplanes mit Übertragungsraten von 40 Gb/s gefertigt, bei 22 Lagen.


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Trotz dieser hohen Übertragungsrate ist gelungen auch weiterhin das günstige FR4 Material einzusetzen. Kostenintensivere Materialien wie Nelco, etc. sind bei diesen Standard-Backplanes nicht notwendig, können aber auf Kundenwunsch auch zum Einsatz kommen. Testberichte liegen auch für diese Materialen vor.

Augendiagramm Simulationsmessung Backplane 3.2 Kühlleistung: 300 Watt pro Frontboard und 30 W für RTM-Boards gefordert Außer der High-Speed-Charakteristik der Backplane wird heute die Entwärmung der Boards bei der Entwicklung eines AdvancedTCA-Systems immer mehr zum zentralen Thema. Man unterscheidet heute bei den 14- und 16-Slot-Systemen mit vertikal eingebauten Boards zwischen Push- und Pull-Kühlung, bei den 2-bis 6-Slot-Systemen mit horizontal eingebauten Boards kommt eine kombinierte Push-/Pull-Kühlung zur Anwendung. Bei der Push-Kühlung sitzen die Ventilatoren unter den zu kühlenden Boards und drücken die Luft (Push) an den heißen Bauteilen vorbei. Im Gegensatz dazu sind bei der Pull-Kühlung die Ventilatoren oberhalb der Boards angeordnet. Die Luft wird durch den Kartenkorb gesaugt (Pull).

Push-Kühlung Pull-Kühlung


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Definiert die AdvancedTCA-Spezifikation zu Beginn noch eine Kühlleistung von 200 W pro Frontboard und 5 W für RTM-Boards, liegen die aktuellen Kundenforderungen schon bei 300 W pro Frontboard und 30 W für RTM-Boards. Bei einem angestrebten ΔT von 10 K wird das Entwärmungskonzept der Systeme vor eine neue Herausforderung gestellt. Wurde die erste Generation der 14- und 16-Slot Systeme mit den zu diesem Zeitpunkt leistungsstärksten Lüftern (Diagonallüftern) ausgestattet, mussten diese Lüfter schon bald durch stärkere Axial- oder Radiallüfter ersetzt werden. Der Einbauraum der Lüfter kann nicht beliebig erweitert werden. Die Bauhöhe eines Chassis ist auf 13 HE begrenzt, um drei Systeme in einem 42 HE hohen Schrank einbauen zu können. Zusätzlich wird eine 3 HE hohe Power Distribution Box montiert. Eine weitere Erhöhung der Lüfterleistung ist nur durch Erhöhung der Lüfterdrehzahlen und durch stärkere Motoren möglich. Betrug die Leistungsaufnahme der Lüfter anfangs ca. 140 W, benötigen die aktuell eingesetzten Lüfter bereits 420 W, was bereits ca. 10 bis 15 % der Leistungsaufnahme eines 16-Slot-Systems entspricht. Die aktuelle Lüftergeneration in 14-Slot-AdvancedTCA-Systemen ermöglicht heute einen Volumenstrom im System von 1.170 m³/h (~ 695 cfm) und damit eine Wärmeabfuhr von 4,5 kW. Ein Ende dieser Entwicklung ist noch nicht absehbar. Noch kann die Entwärmung der einzelnen Systeme durch Luft als Kühlmedium erfolgen. Der Schrank, in dem dann drei Systeme eingebaut sind, wird aber heute schon mit einem Luft-Wasser-Wärmetauscher ausgestattet, der bis zu 40 KW Verlustleistung abführen kann. Das Geräuschniveau der Lüfter ist bei unterschiedlichen Szenarien, wie z. B. dem Lüfterausfall ebenfalls beschrieben. Im sogenannten "Fan Failure Fall“ ist die max. Geräuschentwicklung unbegrenzt. Der Fan Level aller noch funktionierenden Boards geht auf Level 15, damit ein Überleben der eingebauten Boards sicher gestellt wird und ggf. ein kontrolliertes Herunterfahren des Systems möglich ist. Im normalen Betrieb arbeiten die Lüfter auf Level 5 oder 6, dies entspricht 67 dB (A).

Luftgeschwindigkeit pro Slot bei Normalbetrieb


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3.3 Power Consumption - Stromversorgung der Boards Aufgrund der gestiegenen Leistungsaufnahme zukünftiger AdvancedTCA-Boards kommt die für die erste Generation der AdvancedTCA-Systeme entwickelten Stromversorgung an ihre Grenzen. Bislang wurde bei Schroff aus Sicherheits- und Redundanzgründen jedes Feed eines Systems in vier durch Schmelzsicherungen abgesicherte Branches aufgeteilt. Die -48VDC-Stromversorgung wurde bislang über zwei redundante PEMs (Power Entry Module) sicher gestellt. Aufgrund des gesteigerten Leistungsbedarfs für Boards, Lüfter, etc. werden heute magnetisch-hydraulische Sicherungsautomaten anstelle der Schmelzsicherungen eingesetzt, da diese bis zum Nennstrom belastet werden können. Eine Erweiterung auf sechs anstelle der heute üblichen vier Branches ermöglicht es, den Strom auf weiterhin 30 A pro Branch zu begrenzen.

Power Entry Modul (PEM) mit 4 (links) bzw. 6 (rechts) Power Branches

3.4 Die nächste Generation der AdvancedTCA-Systeme Für die steigenden Anforderungen der Telekommunikationindustrie bezüglich Übertragungsrate und Entwärmungsleistung wird derzeit die nächste Generation von AdvancedTCA-Systemen entwickelt.


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Die AdvancedTCA-Spezifikation wird auch zunehmend von weiteren Anwendergruppen aus dem Bereich General Electronics (Mess-Steuer-Regeltechnik), der Medizintechnik, der Verteidigungstechnik oder der Forschung entdeckt. Potentielle Anwender aus der Kernforschung haben mittlerweile bei der PICMG einen neuen Arbeitskreis (Physics Group, WG1) gegründet, um ihre speziellen Anforderungen zu spezifizieren. So sind bereits Systeme mit Full-Size Boards im RTM-Bereich oder Boards, die mehr als 400 W Kühlleistung benötigen, im Gespräch. Eine weitere Gruppe "AdvancedTCA Extension“ hat sich kürzlich aus dem Datacom-Bereich (Server-Hersteller) zusammengefunden. Die Anforderungen an Kühlleistungen sowie die Stromversorgung mit bis zu 400 W pro Board sind weitgehend identisch mit denen der WG1. Hinzu kommt noch die Forderung nach identischer Größe der Front- und RTM-Boards sowie zwei Backplanes in einem Chassis. 4. Shelf Management Mit der PICMG-Specification 3.0 (AdvancedTCA) wurde zum ersten Mal ein offener Standard für Electronic Packaging Systeme publiziert, der als festen Bestandteil Management-Funktionen im Chassis beschreibt. Auf ca. 130 Seiten werden im Detail alle Aspekte dieses Shelf Managements beschrieben und auf weitere Referenzstandards verwiesen. Bei der Erstellung dieser Spezifikation hat man sich auf die Normierung der wesentlichen, zur Interoperabilität der Chassiskomponenten notwendigen Funktionen fokussiert. Die tatsächliche physische Implementierung bleibt dem Chassishersteller bzw. dem Systemintegrator überlassen. Die am häufigsten anzutreffende Implementierung ist die, dass der Shelfmanager auf einer Einsteckkarte untergebracht ist, die in einen separaten Steckplatz im System gesteckt wird. Eine weitere Variante ist die, dass der Shelfmanager auf den beiden Hub-Boards untergebracht wird. Da die Hub-Boards die "Schaltzentrale“ im System sind, bietet sich diese Implementierung an.

Shelfmanager mit PPS ShMM Modul


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5. Tests Damit alle Komponenten eines Systems reibungslos funktionieren ist es unerlässlich, dass diese Komponenten aufeinander abgestimmt sind und unter realen Bedingungen getestet werden. Der Aufbau dieser Systeme ist sehr komplex. Vor allem die Kommunikation und das Management innerhalb eines Systems sind wesentlich umfangreicher als z. B. bei VMEbus oder CompactPCI. Das setzt eine sehr enge Zusammenarbeit der Entwicklungscenter eines Unternehmens voraus. Schon während der Konzeptionssphase wird z. B. die Wärmeentwicklung eines zukünftigen Systems mit einer speziellen Simulationssoftware untersucht. Eventuelle Schwachstellen bzw. Hotspots können so lokalisiert und noch vor der Konstruktionsphase am CAD-System bzw. vor der Erstellung der ersten Prototypen behoben werden. Die Prototypen durchlaufen umfangreiche Design Verification Tests (DVTs). Vor dem Serienstart werden alle Systemkomponenten im hauseigenen Entwicklungs-, EMV- und Entwärmungslabor unter Worst-Case-Bedingungen geprüft. Die Ergebnisse dieser umfangreichen Untersuchungen fließen wieder in die nächste Evolutionsstufe ein und ermöglichen so ein sehr zielorientiertes Vorgehen der Entwicklungsabteilungen. 6. Resümee Die Anforderungen der Kunden ändern sich aufgrund der sich weiter entwickelnden Technik sehr schnell. Um dem gerecht zu werden, kann nur das Unternehmen die Anforderungen seiner Kunden erfüllen, welches diese Trends erkennt und auch zeitnah umsetzt. Ein weiterer Vorteil ist die Bündelung aller Entwicklungsbereiche (mechanische Konstruktion, das Design der Leiterplatten, die Entwicklung der Elektronik), der Produktion und der Integration der Komponenten an einem Standort. Ein weltweites Vertriebsnetz sowie Produktspezialisten vor Ort runden diese Kompetenz ab.


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7. Unternehmensportrait, Angaben zu den Autoren Schroff (www.schroff.de) ist ein führender Entwickler und Hersteller von Electronic Packaging Systemen für die Elektronik, Automatisierung, Informations- und Kommunikationstechnik. Das Standardproduktprogramm reicht von Schränken, Gehäusen und Baugruppenträgern über Stromversorgungen, Backplanes bis hin zu Mikrocomputer-Aufbausystemen. Durch den umfassenden Integrationsservice ist Schroff in der Lage, Kunden komplette Plug&Play-Systeme für die 19-Zoll-Technik anzubieten. Schroff mit Hauptsitz in Straubenhardt/Deutschland gehört zu Pentair Technical Products und beschäftigt in Europa ca. 1.300 Mitarbeiter. Die Gruppe ist Teil der Pentair Inc. (Hauptsitz in St. Paul, Minnesota/USA) mit über 13.100 Mitarbeitern in 50 Standorten weltweit. Pentair Technical Products, eine Global Business Unit der Pentair Inc., ist führender Anbieter weltweiter Produkt- und Servicelösungen zu Aufnahme und Verkleidung, Schutz und Kühlung elektrotechnischer und elektronischer Systeme. Mit ihren branchenführenden Marken Hoffman, Schroff, McLean Cooling Technology, Calmark, Birtcher, Aspen Motion Technologies und Taunus bietet Pentair Technical Products eine umfangreiche Auswahl an Standardprodukten sowie modifizierte und kundenspezifische Lösungen für Handel und Telekommunikation, Energietechnik, allgemeine Elektronikanwendungen, Industrietechnik, Bahn- und Verkehrstechnik, Medizintechnik sowie Sicherheits- und Verteidigungstechnik. Dipl. Ing. (FH) Oliver Kistner studierte an der Fachhochschule Wiesbaden Nachrichtentechnik. Er begann 1992 seine Tätigkeiten bei Schroff / Pentair Technical Products als Entwicklungsingenieur Stromversorgungen und ist heute als Principal Engineer Power Electronics verantwortlich für die Entwicklungen der Baugruppen in den Bereichen Stromversorgungen, AdvancedTCA Power-Entry und Lüfterelektronik. Dipl.-Ing. Andreas Lenkisch ist Principal Engineer Backplanes bei Schroff / Pentair Technical Products. Seit über 20 Jahren beschäftigt er sich mit der Entwicklung und vor allem Weiterentwicklung von Backplanes. Zu seinen Arbeitsschwerpunkten gehören Fragen der Signal- und Powerintegrität für High-speed-Designs. Andreas Lenkisch hat mehrere Patente eingereicht und ist Mitglied verschiedener Normierungsgremien wie VITA, PICMG, IEEE802.3.


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Dipl. Ing. (FH) Dietmar Mann studierte Mechatronik an der Fachhochschule Karlsruhe. Seit 1995 arbeitet er bei Schroff / Pentair Technical Products in verschiedenen Positionen und war u.a. drei Jahre beim Tochterunternehmen in Japan als technischer Koordinator beschäftigt. Heute arbeitet er bei Schroff / Pentair Technical Products in Straubenhardt als Principal Engineer in der Systementwicklung im Bereich System Management. Dipl. Wirt. Ing. (FH) Martin Traut studierte Wirtschaftsingenieurwesen an der Fachhochschule Karlsruhe. Seit 1990 hat er als Produktmanager unterschiedliche Produkte bei Schroff betreut. Im Jahr 2004 wechselte er als Produktmanager in den Bereich Integrated Systems (CompactPCI, VME, AdvancedTCA) bei Schroff / Pentair Technical Products und hat seither die Konzeption der Produktplattform Integrated Systems maßgeblich beeinflusst.

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