MicroTCA - Enciclopedia

MicroTCA (abreviado como Micro Telecommunications Computing Architecture, también: μTCA) es un estándar modular y abierto, creado y mantenido por el PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG). Proporciona las especificaciones eléctricas, mecánicas, térmicas y de gestión para crear un sistema de computadora de tejido conmutado, utilizando tarjetas de Mezzanine Avanzadas (AMC), conectadas directamente a una placa base. MicroTCA es un descendiente del estándar AdvancedTCA.

Historia
La rápida expansión de las telecomunicaciones móviles y sus servicios asociados (como los mensajes de texto) al principio del milenio aumentó la demanda de potencia de procesamiento en los sistemas de telecomunicaciones. Las arquitecturas de computación de "calidad de operador" (ver RAS) existentes no eran adecuadas para albergar los procesadores de alta performance de la época. Para satisfacer estas demandas, aproximadamente 100 empresas trabajaron juntas en el PICMG, lo que resultó en la publicación de la Arquitectura de Telecomunicaciones Avanzadas (AdvancedTCA, ATCA) en 2002.

Después de la introducción de AdvancedTCA, se desarrolló un estándar para atender a sistemas de telecomunicaciones más pequeños en los extremos de la red. Este estándar estaba orientado a sistemas más compactos y menos costosos, sin sacrificar la fiabilidad o el volumen de datos. Este estándar, llamado MicroTCA, fue ratificado en 2006.

Después de su lanzamiento, los sistemas MicroTCA se migraron a sectores no de telecomunicaciones, como defensa, aviación y ciencia. Esto resultó en extensiones del estándar base, llamadas módulos.


Módulos


= MicroTCA.0 =
La especificación base para las propiedades comunes a todos los otros módulos, ratificada el 6 de julio de 2006. Esto incluye:

Especificaciones mecánicas, como posibles dimensiones de las cajas de tarjetas, placas base y módulos AMC soportados
Especificaciones eléctricas, como distribución de energía y disposición de interfaces
Especificaciones térmicas, como posibles configuraciones de enfriamiento o potencia de enfriamiento disponible
Especificaciones de gestión
Una segunda revisión de las especificaciones base fue ratificada el 16 de enero de 2020, que contenía algunas correcciones, así como alteraciones, necesarias para implementar tejidos de Ethernet de alta velocidad, como 10GBASE-KR y 40GBASE-KR4.


= MicroTCA.1 =
Este módulo añade especificaciones para sistemas robustos, utilizando aire forzado para el enfriamiento. Posibles escenarios para sistemas basados en MicroTCA.1 incluyen plantas exteriores de telecomunicaciones, entornos industriales y aeroespaciales


= MicroTCA.2 =
Este módulo añade especificaciones para requisitos más estrictos en cuanto a temperatura, choque, vibración y otras condiciones ambientales. Estas especificaciones están orientadas al uso en plantas exteriores de telecomunicaciones, industria de máquinas y transporte, así como en equipo aéreo militar, embarcaciones y equipo móvil terrestre. MicroTCA.2 permite el uso de módulos AMC refrigerados por aire y conducción.


= MicroTCA.3 =
Este módulo añade especificaciones para requisitos aún más estrictos en cuanto a temperatura, choque, vibración y otras condiciones ambientales. Estas especificaciones están orientadas al uso en plantas exteriores de telecomunicaciones, industria de máquinas y transporte, así como en equipo aéreo militar, embarcaciones y equipo móvil terrestre. MicroTCA.3 requiere el uso de módulos AMC refrigerados por conducción.


= MicroTCA.4 =
Este módulo extiende el AMC con un Módulo de Transición Trasera (RTM), aumentando el espacio en PCB y la modularidad. AMC y RTM están conectados con un conector, ubicado en la zona 3, definida en MicroTCA.0. Estas especificaciones están orientadas al uso en dispositivos científicos a gran escala, como aceleradores de partículas o telescopios.


Componentes de MicroTCA


= Caja de Tarjetas =
La caja de tarjetas (también: estante, gabinete) aloja todos los otros componentes y, como tal, tiene dos funciones primarias:

Proporcionar estabilidad mecánica a los otros componentes
Asegurar suficiente enfriamiento
Existe una amplia variedad de cajas de tarjetas. Usualmente difieren en:

el tipo de módulos que soportan (MTCA.0, MTCA.1, ...)
el número de ranuras que proporcionan (generalmente entre 2 y 12)
la arquitectura de la placa base instalada (ver a continuación)
el esquema de enfriamiento que utilizan (es decir, flujo de aire de delante a detrás, de abajo hacia arriba, de lado a lado, conductivo,...)


= Placa Base =
La placa base es una placa de circuito impreso, montada directamente en la caja de tarjetas. Conecta todos los otros componentes de un sistema MicroTCA entre sí y les proporciona energía, acceso a datos y acceso a gestión.
Se distribuyen dos tipos de energía a través de la placa base, Energía de Gestión (+3.3 V) y Energía de Carga (+12 V). A diferencia de las placas base típicas, donde la energía se distribuye a todos los componentes a través de un "plan de energía común" en el PCB, en una placa base MicroTCA, la Energía de Gestión y la Energía de Carga se distribuyen a cada componente individualmente. Mientras que la Energía de Gestión se proporciona a cada módulo conectado a una placa base alimentada, la Energía de Carga debe ser concedida por el Hub de Carga MicroTCA (MCH), después de asegurarse de que el módulo es compatible con MicroTCA.
El estándar define varios buses de comunicación, que la placa base puede/debería proporcionar:

Gigabit Ethernet
IPMI
SATA
Fat pipe (se puede usar para PCIe, SRIO o Ethernet 10G/40G)
Enlaces Punto a Punto
Relojes
JTAG


= Unidad de Enfriamiento =
La Unidad de Enfriamiento (CU) proporciona un flujo de aire controlado en cajas de tarjetas refrigeradas por aire. Generalmente consta de un array de ventiladores y un controlador, que está conectado a la placa base. El Hub de Carga MicroTCA (MCH) puede leer sensores de temperatura (si están presentes) y velocidad de ventilador, así como cambiar la velocidad del ventilador a través de IPMI. La Unidad de Enfriamiento se suele ajustar a una caja de tarjetas específica. Algunas CU son fácilmente desmontables (es decir, para limpiar o reemplazar), mientras que otras cajas de tarjetas vienen con CU integradas, no desmontables.


= Módulo de Energía =
El Módulo de Energía (PM, también: Fuente de Alimentación) convierte la energía AC de la línea de alimentación a la Energía de Gestión (+3.3 V) y la Energía de Carga (+12 V), ambas en DC. Existen una variedad de módulos de energía, que difieren en:

factor de forma (es decir, doble anchura, anchura única)
tensión de entrada (110 V, 220 V, ambas)
potencia de salida (por ejemplo, 600 W, 1000 W)
El módulo de energía detecta la presencia de un módulo en una ranura a través de un pin especificado en el conector del módulo, y proporciona inmediatamente a ese módulo energía de gestión. La Energía de Carga se gestiona por el Hub de Carga MicroTCA (MCH), que se comunica con el módulo de energía a través de IPMI.
El módulo de energía utiliza su propio tipo de conector y, por lo tanto, solo se puede instalar en ranuras designadas, que a su vez no pueden llevar otro tipo de módulo. Algunas cajas de tarjetas proporcionan una ranura adicional para módulo de energía con redundancia. En este caso, una ranura es primaria, que proporcionará energía de forma predeterminada, y la otra es secundaria, proporcionando energía solo si la primaria no lo hace.


= Hub de Carga MicroTCA =
El Hub de Carga MicroTCA (MCH) es el dispositivo de gestión central de una caja de tarjetas MicroTCA. Gestiona la distribución de energía y el enfriamiento. Generalmente también proporciona conmutación de Gigabit Ethernet y/oro PCIe/Serial RapidIO. Algunos MCH adicionalmente proporcionan generación y distribución de relojes. Como su nombre indica, son el centro de varias topologías de estrella (es decir, para Ethernet, PCIe) en la placa base y, por lo tanto, requieren ranuras dedicadas. Algunas placas base soportan dos MCH para redundancia. En este caso hay dos ranuras de MCH, con una designada primaria y la otra secundaria.


= Tarjeta de Mezzanine Avanzada =

La Tarjeta de Mezzanine Avanzada (AMC) es un estándar para PCBs hot-plug. Originalmente se desarrolló para ser utilizado en sistemas AdvancedTCA. El estándar especifica:

las dimensiones del PCB con dos variantes de anchura (única, doble) y tres variantes de altura (Compacta, de tamaño medio, Completa)
tipo, ubicación y orientación de los conectores (es decir, Zona 1, 2, 3)
Hay una gran variedad de funcionalidades que una AMC puede cumplir:

Computación (es decir, un módulo con CPU, RAM, SSD y gráficos a bordo)
Almacenamiento (es decir, transportador de SSD)
Tarjeta de gráficos
Tarjeta FPGA (es decir, para procesamiento de señales)
Transportador FMC
Tarjeta de digitalización (Conversión Analógica-Digital y Digital-Analógica)
Generación y disparo de relojes
y otros


= Módulo de Transición Trasera (MTCA.4 solo) =
El Módulo de Transición Trasera (RTM) se añadió en el estándar MicroTCA.4. Se conecta directamente a un AMC a través de un conector, ubicado en la zona 3, requiriendo un AMC y RTM de doble anchura. Un RTM tiene aproximadamente las mismas dimensiones que un AMC, básicamente duplicando el espacio disponible en PCB por ranura en una caja de tarjetas MTCA.4. Su energía es proporcionada por el AMC. Por lo tanto, un RTM no puede operar por sí solo, sino que requiere un AMC emparejado.
El conector de la zona 3 es configurable eléctricamente, lo que hace posible que un par AMC-RTM mecánicamente ajustado sea eléctricamente incompatibles. Para evitar daños debido a esa incompatibilidad, se añadió un código de pin mecánico a los AMC y RTM compatibles con MTCA.4, impidiendo mecánicamente la instalación de un RTM eléctricamente incompatibles en un AMC.
Las funcionalidades de los RTM incluyen, pero no se limitan a:

Pre-/post-procesamiento de señales RF (es decir, filtrado, Sub/Conversión, Des/Modulación Vectorial)
Pre-/post-procesamiento de señales digitales
Generación/distribución de relojes
Interfaz de dispositivos
Almacenamiento de datos
CPU (solo MCH-RTM)


Referencias


Enlaces Externos
MicroTCA.0 Standard Short Form
Helmholtz Innovation Lab en DESY, centrado en MicroTCA: MicroTCA Technology Lab