COM－HPC：面向醫(yī)用計(jì)算機(jī)和設(shè)備的新模塊標(biāo)準(zhǔn)

人工智能在醫(yī)療應(yīng)用中的普及大幅推高了用戶對嵌入式計(jì)算技術(shù)的性能要求。除了實(shí)時處理不斷增加的數(shù)據(jù)，醫(yī)療設(shè)備還必須能夠執(zhí)行本地AI推理、記錄成像操作的數(shù)據(jù)，并利用數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡(luò)安全網(wǎng)關(guān)功能來傳輸數(shù)據(jù)，例如傳輸?shù)接跋駳w檔和通信系統(tǒng)或電子病歷。同時，醫(yī)用原始設(shè)備制造商（OEM）希望將它們的應(yīng)用集成到同一個硬件平臺上。要在護(hù)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(jì)算機(jī)模塊標(biāo)準(zhǔn)為新時代智能醫(yī)用計(jì)算機(jī)提供了必要的技術(shù)開發(fā)基礎(chǔ)，讓它們能在未來具備集成的功能安全性，以管理關(guān)鍵醫(yī)療設(shè)備的各項(xiàng)功能。

人工智能 （AI）已成為推動診斷成像和治療領(lǐng)域進(jìn)步的重要引擎。專業(yè)市場研究機(jī)構(gòu)Transparency Market Research預(yù)計(jì)，到2031年，醫(yī)療成像AI市場的年均增長率將高達(dá)36．1％，市場規(guī)模將達(dá)到201．1億美元i。AI不僅能輔助醫(yī)學(xué)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(tǒng)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(shù)據(jù)中心，其他設(shè)備也需要具備智能機(jī)器學(xué)習(xí)能力。

更多數(shù)據(jù)意味著更大帶寬

此外，診斷成像領(lǐng)域?qū)Ω�高分辨率的需求及其可能帶來的巨量�?shù)據(jù)也催生了用戶對性能的要求。例如在內(nèi)窺鏡檢查方面，雖然8K分辨率在2018年才面市，但它如今已經(jīng)成為標(biāo)配。上述的8K是指由192×4320像素構(gòu)成的共37．8兆個像素，其產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量相當(dāng)于其它成像操作中常見的4K（4096×2160像素）的4倍。考慮到現(xiàn)代外科操作要由機(jī)器人來執(zhí)行，甚至采取遠(yuǎn)程診療的手段，我們很容易就能理解醫(yī)療系統(tǒng)必須具備超高速的實(shí)時傳輸能力，以便操控機(jī)器人。處理一個未經(jīng)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(dá)到14．83Gb／s，而如果是8K視頻，則需要59．33Gb／s。

更多任務(wù)－－更少系統(tǒng)

但這還遠(yuǎn)達(dá)不到要求。為了將各種混合類型的關(guān)鍵應(yīng)用高效整合到同一個平臺上，各種任務(wù)負(fù)載（虛擬化、功能安全性、網(wǎng)關(guān)）最好都被集成到一個系統(tǒng)中。最終，這將減少硬件成本和整個系統(tǒng)的平均無故障工作時間（MTBF）。不過出于安全性和資格認(rèn)證考慮，必須通過虛擬化手段將任務(wù)負(fù)載隔離，以確保它們之間不會互相影響，這樣就可以單獨(dú)更新那些與認(rèn)證無關(guān)的系統(tǒng)組件，例如虛擬化或AI，而無需改動整個系統(tǒng)。它的另一個重要性在于，可以確保關(guān)鍵的安全控制系統(tǒng)不會因?yàn)槠渌�系統(tǒng)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)的開發(fā)者不僅要能整合新的核心技術(shù)，還需要非凡的醫(yī)療計(jì)算性能。為了優(yōu)化新設(shè)計(jì)的可靠性、縮短上市時間，開發(fā)者將比以前更依賴應(yīng)用就緒型元件和設(shè)計(jì)導(dǎo)入支持，從而嵌入必要的智能和連接功能。計(jì)算機(jī)模塊，尤其是符合PICMG的新COM－HPC標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)中，計(jì)算機(jī)模塊都是最受歡迎的技術(shù)。作為一種經(jīng)過預(yù)驗(yàn)證、開盒可用的超級組件，計(jì)算機(jī)模塊集成了所有重要的PC元件，例如CPU、GPU、RAM和諸多標(biāo)準(zhǔn)化接口。各種定制化的部件可以在經(jīng)過設(shè)計(jì)后放到載板上，這是一項(xiàng)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(yùn)行。由于模塊更換方便，我們能很容易地調(diào)整配置，并用現(xiàn)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(tǒng)開發(fā)工作的頭投資回報(bào)率（ROI）。

圖說： 計(jì)算機(jī)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(tǒng)

COM－HPC是最新標(biāo)準(zhǔn)，旨在加快新時代聯(lián)網(wǎng)醫(yī)用計(jì)算機(jī)和邊緣服務(wù)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(xiàn)存的計(jì)算機(jī)模塊標(biāo)準(zhǔn)。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(wǎng)。根據(jù)具體的應(yīng)用，傳統(tǒng)高性能系統(tǒng)可以使用性能強(qiáng)大、具備集成圖形功能的COM－HPC Client模塊，而醫(yī)用邊緣服務(wù)器則可以使用COM－HPC Server模塊，以便用于CT或MRI系統(tǒng)的前／后端系統(tǒng)。

面向標(biāo)準(zhǔn)醫(yī)療應(yīng)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(shù)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(yīng)用進(jìn)行了多項(xiàng)性能升級和功能改進(jìn)，其中最值得一提的是，開發(fā)者現(xiàn)在可以利用英特爾的新型混合性能架構(gòu)。第13代英特爾酷睿處理器具有最多24核心／32線程，多任務(wù)處理能力和可擴(kuò)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(jìn)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(xiàn)。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(shí)現(xiàn)優(yōu)秀的圖形性能和基于GPGPU的AI性能。其它的各種外設(shè)也可受益于翻倍的通道速度，因?yàn)檫@些模塊現(xiàn)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(dú)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(gòu)，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(wù)器應(yīng)用的COM－HPC Server模塊

對于需要數(shù)據(jù)中心級別性能但不需要專門的圖形輸出的應(yīng)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(shù)據(jù)的醫(yī)療后端系統(tǒng)、PACS服務(wù)器以及其它X光和醫(yī)院信息系統(tǒng)。值得注意的是，COM－HPC模塊在此方面不局限于傳統(tǒng)的x86處理器，還可集成其它的計(jì)算加速器，例如FPGA，大大簡化了高性能MRI和CT系統(tǒng)的虛擬化服務(wù)器的組建。

COM－HPC Server Size E 和 Size D模塊采用BGA封裝的先進(jìn)英特爾至強(qiáng)D處理器（代號Ice LakeD）。它們的亮點(diǎn)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?yàn)檫吘壏��?wù)器的局限所導(dǎo)致的瓶頸，大幅加快嚴(yán)苛環(huán)境和廣泛溫度區(qū)間中的新時代實(shí)時任務(wù)負(fù)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(nèi)存（2933MT／s）、47個PCIe通道（其中32個為數(shù)據(jù)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(xiàn)有的以太網(wǎng)接口來傳輸8K HDR視頻，而無需額外的以太網(wǎng)控制器。視頻存儲和分析服務(wù)器也可受益于集成的英特爾AVX－512、VNNI和OpenVINO在AI數(shù)據(jù)分析方面的支持。

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

化多為一的實(shí)時虛擬化

在確定性實(shí)時服務(wù)器整合方面，多種實(shí)時和醫(yī)療應(yīng)用都獨(dú)立地運(yùn)行于同一個模塊上，而COM－HPC平臺是可以支持實(shí)時虛擬機(jī)的，可透過康佳特集團(tuán)的Real－Time Systems公司所提供的RTS虛擬機(jī)監(jiān)控器來實(shí)現(xiàn)。所有康佳特的COM－HPC服務(wù)器模塊都經(jīng)過這類服務(wù)的預(yù)先認(rèn)證。

圖說： 具備多達(dá)20個核心和Real－Time Systems公司的虛擬化技術(shù)，用戶可以采取多元方案來安全運(yùn)行實(shí)時應(yīng)用

面向醫(yī)療原始設(shè)備制造商的共創(chuàng)服務(wù)

對于OEM廠商來說，在醫(yī)療保健領(lǐng)域開發(fā)IT／OT系統(tǒng)時采用計(jì)算機(jī)模塊是一種極其便捷的解決方案。康佳特與OEM客戶secunet合作開發(fā)和制造的首例計(jì)算機(jī)模塊產(chǎn)品是醫(yī)療邊緣計(jì)算系統(tǒng)－－secunet medical connect Carna和Athene。這明確證明了COM－HPC標(biāo)準(zhǔn)的高市場成熟度以及使用計(jì)算機(jī)模塊可以實(shí)現(xiàn)快速上市的優(yōu)勢。要知道，COM－HPC還是很新的標(biāo)準(zhǔn)，但已經(jīng)有像認(rèn)證醫(yī)療服務(wù)器這樣的實(shí)際應(yīng)用，這一成績著實(shí)亮眼。

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

基于COM－HPC的多模塊設(shè)計(jì)－－面向機(jī)器學(xué)習(xí)AI聚類的參考設(shè)計(jì)

圖說：具備3個COM－HPC模塊、可實(shí)時執(zhí)行海量任務(wù)負(fù)載的邊緣服務(wù)器

COM－HPC邊緣服務(wù)器設(shè)計(jì)不局限于單模塊思路。該標(biāo)準(zhǔn)還明確支持采用異構(gòu)COM－HPC模塊配置的多模塊載板，從而將FPGA、GPGPU或AI計(jì)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(xué)（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(shè)計(jì)，以便處理海量的任務(wù)負(fù)載或?qū)崟r數(shù)據(jù)。每個COM－HPC模塊通過10 Gbit以太網(wǎng)和PCI Express（Host－2－Host）端口連接。能快速高效地處理高維AI聚類數(shù)據(jù)（自組織映射）。

作者： 德國康佳特市場營銷工程師－－ Zeljko Loncaric