用于混合型关键应用的高性能模块

COM－HPC：面向医用计算机和设备的新模块标准

人工智能在医疗应用中的普及大幅推高了用户对嵌入式计算技术的性能要求。除了实时处理不断增加的数据，医疗设备还必须能够执行本地AI推理、记录成像操作的数据，并利用数据和网络安全网关功能来传输数据，例如传输到影像归档和通信系统或电子病历。同时，医用原始设备制造商（OEM）希望将它们的应用集成到同一个硬件平台上。要在护理环境中做到这些，就必须保证功能的安全性。新的高端COM－HPC计算机模块标准为新时代智能医用计算机提供了必要的技术开发基础，让它们能在未来具备集成的功能安全性，以管理关键医疗设备的各项功能。

人工智能 （AI）已成为推动诊断成像和治疗领域进步的重要引擎。专业市场研究机构Transparency Market Research预计，到2031年，医疗成像AI市场的年均增长率将高达36．1％，市场规模将达到201．1亿美元i。AI不仅能辅助医学诊断和后续诊疗方案的制定，还可用于图像获取、优化及处理。这意味着本地系统必须提供必要的算力来执行AI推理功能，因此，除了云端和数据中心，其他设备也需要具备智能机器学习能力。

更多数据意味着更大带宽

此外，诊断成像领域对更高分辨率的需求及其可能带来的巨量数据也催生了用户对性能的要求。例如在内窥镜检查方面，虽然8K分辨率在2018年才面市，但它如今已经成为标配。上述的8K是指由192×4320像素构成的共37．8兆个像素，其产生的数据量相当于其它成像操作中常见的4K（4096×2160像素）的4倍。考虑到现代外科操作要由机器人来执行，甚至采取远程诊疗的手段，我们很容易就能理解医疗系统必须具备超高速的实时传输能力，以便操控机器人。处理一个未经压缩的4K RGB分辨率、10位HDR彩色动态范围和60帧每秒的视频，就需要带宽达到14．83Gb／s，而如果是8K视频，则需要59．33Gb／s。

更多任务－－更少系统

但这还远达不到要求。为了将各种混合类型的关键应用高效整合到同一个平台上，各种任务负载（虚拟化、功能安全性、网关）最好都被集成到一个系统中。最终，这将减少硬件成本和整个系统的平均无故障工作时间（MTBF）。不过出于安全性和资格认证考虑，必须通过虚拟化手段将任务负载隔离，以确保它们之间不会互相影响，这样就可以单独更新那些与认证无关的系统组件，例如虚拟化或AI，而无需改动整个系统。它的另一个重要性在于，可以确保关键的安全控制系统不会因为其它系统组件的故障而受到影响。这些不仅需要许多处理器核心，还需要全方位的虚拟化支持。

模块使嵌入式AI更简化

因此，新世代多功能医用计算机系统的开发者不仅要能整合新的核心技术，还需要非凡的医疗计算性能。为了优化新设计的可靠性、缩短上市时间，开发者将比以前更依赖应用就绪型元件和设计导入支持，从而嵌入必要的智能和连接功能。计算机模块，尤其是符合PICMG的新COM－HPC标准的模块，是一种重要的战略手段。目前在诸多行业的嵌入式设计中，计算机模块都是最受欢迎的技术。作为一种经过预验证、开盒可用的超级组件，计算机模块集成了所有重要的PC元件，例如CPU、GPU、RAM和诸多标准化接口。各种定制化的部件可以在经过设计后放到载板上，这是一项相对轻松的工作，然后我们就可以将模块直接插到载板上运行。由于模块更换方便，我们能很容易地调整配置，并用现有乃至几年后的处理器来升级它，显著提升昂贵医疗系统开发工作的头投资回报率（ROI）。

图说： 计算机模块让用户能轻松地使用定制载板，开发具有特定用途接口布局的专用医疗系统

COM－HPC是最新标准，旨在加快新时代联网医用计算机和边缘服务器的开发工作。它提供的算力、带宽和连接功能超越了所有现存的计算机模块标准。它支持目前所有的高速接口，包括PCI Express 5．0、Thunderbolt和25 Gbit以太网。根据具体的应用，传统高性能系统可以使用性能强大、具备集成图形功能的COM－HPC Client模块，而医用边缘服务器则可以使用COM－HPC Server模块，以便用于CT或MRI系统的前／后端系统。

面向标准医疗应用的COM－HPC Client模块

COM－HPC Client模块有四种尺寸：120 mm x 160 mm （Size C）、120 mm x 120 mm （Size B） 和120 mm x 95 mm （Size A），以及最新的COM－HPC Mini。这些基于第13代英特尔酷睿处理器（代号Raptor Lake）的模块，采用最新英特尔处理器技术且支持Size A， Size C， 和COM－HPC Mini等规格尺寸。COM－HPC模块针对医疗应用进行了多项性能升级和功能改进，其中最值得一提的是，开发者现在可以利用英特尔的新型混合性能架构。第13代英特尔酷睿处理器具有最多24核心／32线程，多任务处理能力和可扩展性都有了飞跃式的提升。针对最高级别嵌入式客户端性能进行了优化，该处理器提提供杰出的单线程， 双核和图形性能表现。此外，这些模块的带宽大幅增加，可连接专门的图形处理单元（GPU），以实现优秀的图形性能和基于GPGPU的AI性能。其它的各种外设也可受益于翻倍的通道速度，因为这些模块现在除了PCIe 4．0，还有了超高速的PCIe 5．0接口。它们最多可支持4块独立的4K显示屏。

图说： 采用第13代英特尔酷睿处理器的最新COM－HPC Client模块让医疗OEM厂商受益于英特尔的新型混合性能架构，此模块具有最多24核心／32线程和PCIe Gen 5．0接口。

面向高性能医疗服务器应用的COM－HPC Server模块

对于需要数据中心级别性能但不需要专门的图形输出的应用，COM－HPC Server模块提供了两款解决方案：Size E （160 mm x 200 mm）和Size D （160 mm x 160 mm）。它们适用于要同时处理海量视频和图像数据的医疗后端系统、PACS服务器以及其它X光和医院信息系统。值得注意的是，COM－HPC模块在此方面不局限于传统的x86处理器，还可集成其它的计算加速器，例如FPGA，大大简化了高性能MRI和CT系统的虚拟化服务器的组建。

COM－HPC Server Size E 和 Size D模块采用BGA封装的先进英特尔至强D处理器（代号Ice LakeD）。它们的亮点不仅是支持广泛温度区间（－40°C到85°C），还在于克服了许多此前因为边缘服务器的局限所导致的瓶颈，大幅加快严苛环境和广泛温度区间中的新时代实时任务负载的处理速度。这些模块具有最多20核心、8个DRAM插槽提供的最多1TB内存（2933MT／s）、47个PCIe通道（其中32个为数据吞吐量翻倍的PCIe Gen 4通道），以及100GbE接口和TCC／TSN支持。这提供了充足的带宽，可利用现有的以太网接口来传输8K HDR视频，而无需额外的以太网控制器。视频存储和分析服务器也可受益于集成的英特尔AVX－512、VNNI和OpenVINO在AI数据分析方面的支持。

图说：基于英特尔至强D处理器的COM－HPC Server Size E和Size D的差别在于RAM插槽数量，这也决定了模块的尺寸。模块支持最多1TB的内存。

化多为一的实时虚拟化

在确定性实时服务器整合方面，多种实时和医疗应用都独立地运行于同一个模块上，而COM－HPC平台是可以支持实时虚拟机的，可透过康佳特集团的Real－Time Systems公司所提供的RTS虚拟机监控器来实现。所有康佳特的COM－HPC服务器模块都经过这类服务的预先认证。

图说： 具备多达20个核心和Real－Time Systems公司的虚拟化技术，用户可以采取多元方案来安全运行实时应用

面向医疗原始设备制造商的共创服务

对于OEM厂商来说，在医疗保健领域开发IT／OT系统时采用计算机模块是一种极其便捷的解决方案。康佳特与OEM客户secunet合作开发和制造的首例计算机模块产品是医疗边缘计算系统－－secunet medical connect Carna和Athene。这明确证明了COM－HPC标准的高市场成熟度以及使用计算机模块可以实现快速上市的优势。要知道，COM－HPC还是很新的标准，但已经有像认证医疗服务器这样的实际应用，这一成绩着实亮眼。

图说：采用康佳特COM－HPC Server模块的2U机架式服务器secunet medical connect Athene在处理高资源和算力要求的进程时具有出色性能。

基于COM－HPC的多模块设计－－面向机器学习AI聚类的参考设计

图说：具备3个COM－HPC模块、可实时执行海量任务负载的边缘服务器

COM－HPC边缘服务器设计不局限于单模块思路。该标准还明确支持采用异构COM－HPC模块配置的多模块载板，从而将FPGA、GPGPU或AI计算加速器等集成在一起。COM－HPC Server和COM－HPC Client模块也可在单个载板上混搭。例如，康佳特目前正与比勒菲尔德大学（University of Bielefeld）以及Christmann IT公司合作，开发一款将多个COM－HPC模块集成在单个载板上的设计，以便处理海量的任务负载或实时数据。每个COM－HPC模块通过10 Gbit以太网和PCI Express（Host－2－Host）端口连接。能快速高效地处理高维AI聚类数据（自组织映射）。

作者： 德国康佳特市场营销工程师－－ Zeljko Loncaric