MicroTCA (auch: µTCA) steht für Micro Telecommunications Computing Architecture und ist ein von der PICMG verabschiedeter modularer Standard, der den Aufbau von Baugruppenträgern und kompletten Grundsystemen regelt. Die MicroTCA Spezifikation definiert die Anforderungen an ein System, das PICMG AdvancedMCs direkt auf einer Backplane betreibt. Die Spezifikation beschreibt generelle mechanische, elektrische, thermische und managementbetreffende Eigenschaften eines MicroTCA-Systems, die nötig sind, um Module zu unterstützen, die kompatibel zum AdvancedMC-Standard sind.
MicroTCA ist ergänzend zu PICMG3.0 Advanced Telecommunications Computing Architecture (AdvancedTCA). Während AdvancedTCA für hohe Kapazität und Hochleistungsanwendungen designt wurde, ist MicroTCA auf kostensensible, physikalisch kleinere Anwendungen mit geringerer Kapazität, Leistung und möglicherweise weniger strikten Verfügbarkeitsanforderungen fokussiert. MicroTCA bewahrt sich viele der wichtigen Philosophien von AdvancedTCA, inklusive der grundlegenden Verbindungstopologien und Managementstrukturen.
Überblick Historie MicroTCA wurde aus dem Bedarf heraus entwickelt, eine High-Speed-Systemplattform zur Verfügung zu haben, die sowohl den hohen Ansprüchen der Telekommunikationsbranche als auch den weniger anspruchsvollen Bedürfnissen der Industrie zu genügen. Hierzu wurden die Advanced Mezzanine Cards (AdvancedMCs), welche für die Telekommunikationsplattform AdvancedTCA entwickelt wurden, direkt auf eine Backplane gesteckt. Dadurch können hohe Kosteneinsparungen im Bereich von Mechanik, Elektronik und Managementkomponenten erzielt werden und dennoch die Vorteile der hohen Datenraten, Redundanz und Modularität genutzt werden.
Marktpositionierung Im Telekommunikationsbereich positioniert sich MicroTCA durch einige Beschränkungen sowohl in der Anzahl der Module als auch in der Topologie im mittleren Bandbreitenbereich. MicroTCA Systeme mit geringer Bandbreite können als Arbeitsgruppenrouter oder WLAN-Basestations verwendet werden, während Systeme mit hoher Bandbreite beispielsweise als DSL-Zugangspunkte (DSLAMs) verwendet werden können.
Modularität MicroTCA erlaubt eine Vielzahl von Möglichkeiten bezüglich der Modularität. Die Systeme können in den unterschiedlichsten Komplexitätsstufen konzipiert werden. Der Vorteil eines modularen Aufbaus der Systeme liegt in der einfachen Austauschbarkeit von Komponenten, was dank des umfangreichen Managements sogar bei laufendem Betrieb möglich ist. So kann beispielsweise ein defekter Lüfter durch den Austausch der entsprechenden Lüfterkassette ersetzt werden, ohne dass das System heruntergefahren werden muss. Dies trägt zu einem reibungslosen Betrieb und einer hohen Zuverlässigkeit der Systeme bei. Dies ist vor allem für Telekomanwendungen unabdingbar, da diese Systeme ständig verfügbar sein müssen.
Komponenten Ein MicroTCA System besitzt einige unterschiedliche Komponenten, die ins System eingesteckt werden können. Zum einen können bis zu zwölf AdvancedMCs im System integriert werden. Weiterhin können bis zu vier Power Modules, die für redundanten Betrieb ausgelegt sind, integriert werden. Zudem werden in ein System eine oder zwei Cooling Units (Lüfterkassetten) integriert. Alle austauschbaren Komponenten werden "Field Replaceable Units" (FRUs) genannt.
Systemkonzepte MicroTCA Pico Die MicroTCA Spezifikation erlaubt mehrere Konzepte zur Realisierung eines Systems. Als kleinste Einheit, die dem MicroTCA-Standard entspricht, ist der MicroTCA Pico. Der Pico ist meist eine Unterbaugruppe einer größeren Anwendung. Die äußeren Abmessungen sind nicht vorgeschrieben und sind meist nicht größer als der Baugruppenträger selbst. Die Anwendungen, welche auf einem Pico basieren erfordern zumeist nur geringe Leistung, weshalb meist nur wenige Slots im System vorhanden sind.
MicroTCA Cube Eine weitere Bauform, die von der MicroTCA Spezifikation definiert wird, ist der MicroTCA Cube. Dieser besitzt näherungsweise die Form eines Würfels (engl. "Cube"). Durch die vorgegebene Tiefe des Kartenkorbes hat der Würfel eine Kantenlänge von ca. 200 mm. Ein MicroTCA Cube ist ähnlich einem Pico meist nur ein Teil einer größeren Baugruppe. Im Gegensatz zum Pico ist der Cube aber häufig größer als der Kartenkorb an sich. Der Cube hat zusätzlichen Platz für MCHs und PMs, die unter Umständen steckbar, und dadurch modular aufbaubar sind. Häufig werden auch schon die CUs in den Cube integriert, wodurch er als komplett eigenständiges System verwendet werden kann. Diese Cubes sind besonders gebräuchlich als Testsysteme für Kartenentwickler oder Systemintegratoren.
MicroTCA Shelf Das größte und gebräuchlichste System ist der sogenannte MicroTCA Shelf. Dies ist ein Grundsystem mit einer Breite von in diesem Marktsegment üblichen 19 Zoll. Damit können Karten mit einer Gesamtbreite von 84 TE integriert werden. Der Shelf beinhaltet meist zwei MCHs, zwei Power Modules und zwei Cooling Units. Hierbei werden die Cooling Units unter bzw. über dem Kartenkorb angebracht, MCHs und Power Modules befinden sich im Kartenkorb. Die häufigste Größe der einsteckbaren Module (AdvancedMCs, MCHs und Power Modules) haben die Größe "Single Module, Full Size". Dies bedeutet eine Höhe von ca. 75 mm und eine Breite von 6 TE. Durch die Integration von zwei MCHs und zwei Power Modules bleiben somit 60 TE übrig, welche für die AdvancedMCs verwendet werden können. Damit können acht "Full Size" Module (6 TE) und vier "Compact Size" Module (3 TE) integriert werden, wobei zwei nebeneinander befindliche "Compact Size" Slots auch für ein "Full Size" AdvancedMC verwendet werden kann.
Kühlung Die Kühlung in einem MicroTCA System ist sehr wichtig, da die Leistungsdichte im System sehr hoch ist. Ein Modul (AdvancedMC, MCH oder Power Module) mit der Größe "Double Module, Full Size" kann bis zu 80 Watt Abwärme erzeugen. Damit kann ein Shelf bis zu 14 mal 80 Watt = 1120 Watt an Abwärme produzieren.
Management Das Management in einem MicroTCA System ist sehr umfangreich. Es gibt eine zentrale Managementinstanz im System, der MicroTCA Carrier Hub (MCH). Dieser ist über einen sternförmigen IPMI-Bus mit allen AdvancedMCs und über einen redundanten IPMI-Bus mit den restlichen Komponenten verbunden. Der MCH aktiviert und deaktiviert alle Komponenten und deren Ports.
Features Das Management des MicroTCA Systems ist durch das Protokoll IPMI sehr umfangreich und unterstützt zahlreiche Features. Über diesen Bus werden Temperaturen im System und auf den Modulen abgefragt, Lüftergeschwindigkeiten überprüft und nachgeregelt. Vor allem ist aber das Hot-Swap eine wichtige Funktion, um einen reibungslosen Austausch der Komponenten während des Betriebs zu ermöglichen. Hierdurch werden die Ruhezeiten des Systems minimiert, wodurch Applikationen und Services ständig Verfügbar sind. Weiterhin unterstützt das Management auch das elektronische Keying (E-Keying). Dies ist eine Funktion, die es ermöglicht, die Kompatibilität der Module vor Inbetriebnahme abzufragen und je nach dem das Modul daraufhin zu ganz, teilweise oder überhaupt nicht zu aktivieren. Beispielsweise werden Module, deren Betriebsspannungen oder Leistung nicht mit dem System kompatibel sind, nicht aktiviert. Module, deren Protokolle auf bestimmten Ports nicht mit den Switching-Funktionen des MCHs kompatibel sind, können sich aktivieren, dürfen aber die betroffenen Ports nicht aktivieren.
Management Controller Jedes Modul, das in ein MicroTCA-System integriert wird, und austauschbar ist, muss einen Management Controller besitzen. Die AdvancedMCs müssen einen "Module Management Controller" (MMC) besitzen, die Power Modules, Cooling Units und anwendungsspezifische Module müssen einen "Enhanced Module Management Controller" (EMMC) besitzen. Die Aufgabe dieser Management Controller ist die Kommunikation mit dem Management Controller des MCHs, der "MicroTCA Carrier Management Controller" (MCMC) heißt. Diese Kommunikation ist nötig, um das Hot-Swap und das E-Keying zu unterstützen.
Verbindungen Die Backplane ist eine der wichtigsten Komponenten im MicroTCA System. Sie beinhaltet alle Verbindungen zwischen den Komponenten. Hierzu gehören die seriellen High-Speed Ports, die Taktnetzwerke, die Managementverbindungen und die Spannungsversorgung.
Ports thumb|400px|Das Bild zeigt die Ports der AdvancedMCs und die zugehörigen Protokolle, die in der MicroTCA-Spezifikation vorgegeben werden. Auf der rechten Seite befinden sich die Fabrics der MCHs, zu denen die Ports verbunden werden. Einige Ports werden nur verbunden, wenn sich ein zweiter (redundanter) MCH im System befindet. PCI Express kann nicht redundant verwendet werden, da hierzu ein zugehöriger Takt benötigt wird. Dieser kann nur von einem MCH zur Verfügung gestellt werden und somit nicht über den zweiten MCH übertragen werden.
Um die benötigten hohen Bandbreiten realisieren zu können, werden die AdvancedMCs über die High-Speed Ports verbunden. Diese bestehen aus zwei differentiellen Paaren, die eine schnelle Übertragung im Bereich mehrerer GBit/s ermöglichen. Die Signalisierung erfolgt über Low Voltage Differential Signaling. Über die Ports werden die Protokolle PCI Express, Serial Rapid IO, (10) Gigabit Ethernet oder Serial Attached SCSI übertragen. Jedes AdvancedMC kann bis zu 21 Ports (Port bis Port) verwenden. Der MicroTCA Standard spezifiziert dabei lediglich die ersten zwölf Ports. Der Rest kann für kundenspezifische Übertragungen oder zur Ausgabe von Signalen auf der Rückseite des Systems verwendet werden.
Taktnetzwerke MicroTCA definiert drei Taktnetzwerke (Clock 1, Clock 2 und Clock 3). Die Verbindungen sind unterschiedlich, je nachdem ob das System mit einem redundanten MCH ausgerüstet ist oder nicht. Die Frequenz von Clock 1 und Clock 2 ist je nach Anforderung 8 kHz, 1,544 MHz, 2,048 MHz oder 19,44 MHz. Clock 3 hat eine Frequenz von 100 MHz und kann als Spread Spectrum Clock ausgeführt werden, um Kosten einzusparen.
Nicht-redundantes Taktnetzwerk Wenn nur ein MCH im System integriert wird, so wird das Taktnetzwerk nicht-redundant ausgelegt. Hierbei werden einzelne Punkt-zu-Punkt-Verbindungen zwischen allen Taktanschlüssen der AdvancedMCs und dem MCH ausgeführt. Hierzu hat der MCH 36 Taktanschlüsse, jeweils drei Taktanschlüsse für jedes AdvancedMC.
Redundantes Taktnetzwerk Bei dem redundanten Taktnetzwerk wird der erste Takt jedes AdvancedMCs mit dem ersten Takt des ersten MCHs verbunden. Der dritte Takt der AdvancedMCs wird mit dem ersten Takt des zweiten MCHs verbunden (Redundanz bei Ausfall des ersten MCHs). Der zweite Takt der AdvancedMCs wird mit dem zweiten Takt der beiden MCHs verbunden. Dies wird dadurch ermöglicht, dass das Abschlussnetzwerk so angepasst ist, dass jeder Teilnehmer trotz Verzweigung einen Abschluss von 100 Ohm sieht. Durch den Anschluss von Clock 1 eines MCHs an Clock 3 der AdvancedMCs kann hier kein PCI Express übertragen werden, da das entsprechende Taktnetzwerk nicht vorhanden ist.
Änderung der Spezifikation Am 15. November 2006 wurde die Revision 2.0 der AdvancedMC.0 Spezifikation (Base Specification) veröffentlicht. In dieser Spezifikation wurden die Taktanschlüsse und deren Bezeichnungen überarbeitet. Es sind zwei weitere Taktnetzwerke hinzugekommen, die an Stelle von Port verwendet werden. Die Bezeichnungen wurden verändert, so dass die Taktnetzwerke nun TCLKA (Clock 1), TCLKB (Clock 2), FCLKA (Clock 3), TCLKC (neu hinzugekommen) und TCLKD (neu hinzugekommen) heißen. Der Buchstabe 'T' vor CLK (=Clock) steht für "Telecom", 'F' steht für "Fabric". Es wird erwartet, dass sich die MicroTCA Spezifikation an die Änderungen anpasst.
Versorgungsspannungen