COM－HPC：面向醫(yī)用計算機和設備的新模塊標準

人工智能在醫(yī)療應用中的普及大幅推高了用戶對嵌入式計算技術的性能要求。除了實時處理不斷增加的數據，醫(yī)療設備還必須能夠執(zhí)行本地AI推理、記錄成像操作的數據，并利用數據和網絡安全網關功能來傳輸數據，例如傳輸到影像歸檔和通信系統或電子病歷。同時，醫(yī)用原始設備制造商（OEM）希望將它們的應用集成到同一個硬件平臺上。要在護理環(huán)境中做到這些，就必須保證功能的安全性。新的高端COM－HPC計算機模塊標準為新時代智能醫(yī)用計算機提供了必要的技術開發(fā)基礎，讓它們能在未來具備集成的功能安全性，以管理關鍵醫(yī)療設備的各項功能。

人工智能 （AI）已成為推動診斷成像和治療領域進步的重要引擎。專業(yè)市場研究機構Transparency Market Research預計，到2031年，醫(yī)療成像AI市場的年均增長率將高達36．1％，市場規(guī)模將達到201．1億美元i。AI不僅能輔助醫(yī)學診斷和后續(xù)診療方案的制定，還可用于圖像獲取、優(yōu)化及處理。這意味著本地系統必須提供必要的算力來執(zhí)行AI推理功能，因此，除了云端和數據中心，其他設備也需要具備智能機器學習能力。

更多數據意味著更大帶寬

此外，診斷成像領域對更高分辨率的需求及其可能帶來的巨量數據也催生了用戶對性能的要求。例如在內窺鏡檢查方面，雖然8K分辨率在2018年才面市，但它如今已經成為標配。上述的8K是指由192×4320像素構成的共37．8兆個像素，其產生的數據量相當于其它成像操作中常見的4K（4096×2160像素）的4倍�？紤]到現代外科操作要由機器人來執(zhí)行，甚至采取遠程診療的手段，我們很容易就能理解醫(yī)療系統必須具備超高速的實時傳輸能力，以便操控機器人。處理一個未經壓縮的4K RGB分辨率、10位HDR彩色動態(tài)范圍和60幀每秒的視頻，就需要帶寬達到14．83Gb／s，而如果是8K視頻，則需要59．33Gb／s。

更多任務－－更少系統

但這還遠達不到要求。為了將各種混合類型的關鍵應用高效整合到同一個平臺上，各種任務負載（虛擬化、功能安全性、網關）最好都被集成到一個系統中。最終，這將減少硬件成本和整個系統的平均無故障工作時間（MTBF）。不過出于安全性和資格認證考慮，必須通過虛擬化手段將任務負載隔離，以確保它們之間不會互相影響，這樣就可以單獨更新那些與認證無關的系統組件，例如虛擬化或AI，而無需改動整個系統。它的另一個重要性在于，可以確保關鍵的安全控制系統不會因為其它系統組件的故障而受到影響。這些不僅需要許多處理器核心，還需要全方位的虛擬化支持。

模塊使嵌入式AI更簡化

因此，新世代多功能醫(yī)用計算機系統的開發(fā)者不僅要能整合新的核心技術，還需要非凡的醫(yī)療計算性能。為了優(yōu)化新設計的可靠性、縮短上市時間，開發(fā)者將比以前更依賴應用就緒型元件和設計導入支持，從而嵌入必要的智能和連接功能。計算機模塊，尤其是符合PICMG的新COM－HPC標準的模塊，是一種重要的戰(zhàn)略手段。目前在諸多行業(yè)的嵌入式設計中，計算機模塊都是最受歡迎的技術。作為一種經過預驗證、開盒可用的超級組件，計算機模塊集成了所有重要的PC元件，例如CPU、GPU、RAM和諸多標準化接口。各種定制化的部件可以在經過設計后放到載板上，這是一項相對輕松的工作，然后我們就可以將模塊直接插到載板上運行。由于模塊更換方便，我們能很容易地調整配置，并用現有乃至幾年后的處理器來升級它，顯著提升昂貴醫(yī)療系統開發(fā)工作的頭投資回報率（ROI）。

圖說： 計算機模塊讓用戶能輕松地使用定制載板，開發(fā)具有特定用途接口布局的專用醫(yī)療系統

COM－HPC是最新標準，旨在加快新時代聯網醫(yī)用計算機和邊緣服務器的開發(fā)工作。它提供的算力、帶寬和連接功能超越了所有現存的計算機模塊標準。它支持目前所有的高速接口，包括PCI Express 5．0、Thunderbolt和25 Gbit以太網。根據具體的應用，傳統高性能系統可以使用性能強大、具備集成圖形功能的COM－HPC Client模塊，而醫(yī)用邊緣服務器則可以使用COM－HPC Server模塊，以便用于CT或MRI系統的前／后端系統。

面向標準醫(yī)療應用的COM－HPC Client模塊

COM－HPC Client模塊有四種尺寸：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。這些基于第13代英特爾酷睿處理器（代號Raptor Lake）的模塊，采用最新英特爾處理器技術且支持Size A， Size C， 和COM－HPC Mini等規(guī)格尺寸。COM－HPC模塊針對醫(yī)療應用進行了多項性能升級和功能改進，其中最值得一提的是，開發(fā)者現在可以利用英特爾的新型混合性能架構。第13代英特爾酷睿處理器具有最多24核心／32線程，多任務處理能力和可擴展性都有了飛躍式的提升。針對最高級別嵌入式客戶端性能進行了優(yōu)化，該處理器提提供杰出的單線程， 雙核和圖形性能表現。此外，這些模塊的帶寬大幅增加，可連接專門的圖形處理單元（GPU），以實現優(yōu)秀的圖形性能和基于GPGPU的AI性能。其它的各種外設也可受益于翻倍的通道速度，因為這些模塊現在除了PCIe 4．0，還有了超高速的PCIe 5．0接口。它們最多可支持4塊獨立的4K顯示屏。

圖說： 采用第13代英特爾酷睿處理器的最新COM－HPC Client模塊讓醫(yī)療OEM廠商受益于英特爾的新型混合性能架構，此模塊具有最多24核心／32線程和PCIe Gen 5．0接口。

面向高性能醫(yī)療服務器應用的COM－HPC Server模塊

對于需要數據中心級別性能但不需要專門的圖形輸出的應用，COM－HPC Server模塊提供了兩款解決方案：Size E （160 mm x 200 mm）和Size D （160 mm x 160 mm）。它們適用于要同時處理海量視頻和圖像數據的醫(yī)療后端系統、PACS服務器以及其它X光和醫(yī)院信息系統。值得注意的是，COM－HPC模塊在此方面不局限于傳統的x86處理器，還可集成其它的計算加速器，例如FPGA，大大簡化了高性能MRI和CT系統的虛擬化服務器的組建。

COM－HPC Server Size E 和 Size D模塊采用BGA封裝的先進英特爾至強D處理器（代號Ice LakeD）。它們的亮點不僅是支持廣泛溫度區(qū)間（－40°C到85°C），還在于克服了許多此前因為邊緣服務器的局限所導致的瓶頸，大幅加快嚴苛環(huán)境和廣泛溫度區(qū)間中的新時代實時任務負載的處理速度。這些模塊具有最多20核心、8個DRAM插槽提供的最多1TB內存（2933MT／s）、47個PCIe通道（其中32個為數據吞吐量翻倍的PCIe Gen 4通道），以及100GbE接口和TCC／TSN支持。這提供了充足的帶寬，可利用現有的以太網接口來傳輸8K HDR視頻，而無需額外的以太網控制器。視頻存儲和分析服務器也可受益于集成的英特爾AVX－512、VNNI和OpenVINO在AI數據分析方面的支持。

圖說：基于英特爾至強D處理器的COM－HPC Server Size E和Size D的差別在于RAM插槽數量，這也決定了模塊的尺寸。模塊支持最多1TB的內存。

化多為一的實時虛擬化

在確定性實時服務器整合方面，多種實時和醫(yī)療應用都獨立地運行于同一個模塊上，而COM－HPC平臺是可以支持實時虛擬機的，可透過康佳特集團的Real－Time Systems公司所提供的RTS虛擬機監(jiān)控器來實現。所有康佳特的COM－HPC服務器模塊都經過這類服務的預先認證。

圖說： 具備多達20個核心和Real－Time Systems公司的虛擬化技術，用戶可以采取多元方案來安全運行實時應用

面向醫(yī)療原始設備制造商的共創(chuàng)服務

對于OEM廠商來說，在醫(yī)療保健領域開發(fā)IT／OT系統時采用計算機模塊是一種極其便捷的解決方案�？导烟嘏cOEM客戶secunet合作開發(fā)和制造的首例計算機模塊產品是醫(yī)療邊緣計算系統－－secunet medical connect Carna和Athene。這明確證明了COM－HPC標準的高市場成熟度以及使用計算機模塊可以實現快速上市的優(yōu)勢。要知道，COM－HPC還是很新的標準，但已經有像認證醫(yī)療服務器這樣的實際應用，這一成績著實亮眼。

圖說：采用康佳特COM－HPC Server模塊的2U機架式服務器secunet medical connect Athene在處理高資源和算力要求的進程時具有出色性能。

基于COM－HPC的多模塊設計－－面向機器學習AI聚類的參考設計

圖說：具備3個COM－HPC模塊、可實時執(zhí)行海量任務負載的邊緣服務器

COM－HPC邊緣服務器設計不局限于單模塊思路。該標準還明確支持采用異構COM－HPC模塊配置的多模塊載板，從而將FPGA、GPGPU或AI計算加速器等集成在一起。COM－HPC Server和COM－HPC Client模塊也可在單個載板上混搭。例如，康佳特目前正與比勒菲爾德大學（University of Bielefeld）以及Christmann IT公司合作，開發(fā)一款將多個COM－HPC模塊集成在單個載板上的設計，以便處理海量的任務負載或實時數據。每個COM－HPC模塊通過10 Gbit以太網和PCI Express（Host－2－Host）端口連接。能快速高效地處理高維AI聚類數據（自組織映射）。

作者： 德國康佳特市場營銷工程師－－ Zeljko Loncaric