Intercambio en caliente

Intercambio en caliente es el reemplazo o la adición de componentes a un sistema informático sin detener, apagar o reiniciar el sistema; conexión en caliente describe la adición de componentes únicamente. Se dice que los componentes que tienen dicha funcionalidad son intercambiables en caliente o conectables en caliente; asimismo, los componentes que no lo sean son intercambiables en frío o conectables en frío.

La mayoría del hardware de las computadoras de escritorio, como las CPU y la memoria, solo se pueden conectar en frío. Sin embargo, es común que los servidores y mainframes de gama media a alta cuenten con capacidad de intercambio en caliente para componentes de hardware, como CPU, memoria, unidades PCIe, SATA y SAS.

Un ejemplo de intercambio en caliente es la capacidad expresa de extraer un dispositivo periférico Universal Serial Bus (USB), como una memoria USB, una unidad de disco duro externa (HDD), un mouse, un teclado o una impresora de una computadora&'s ranura USB o concentrador de periféricos sin expulsarlo primero.

La mayoría de los teléfonos inteligentes y tabletas con soportes de carga en bandeja pueden intercambiar tarjetas SIM sin apagar el sistema.

Las cámaras y videocámaras digitales dedicadas suelen tener compartimentos de batería y tarjeta de memoria de fácil acceso para cambiarlos rápidamente con una interrupción mínima del funcionamiento. Las baterías se pueden reciclar recargando las baterías de reserva externamente mientras no se usan. Muchas cámaras y videocámaras cuentan con una memoria interna para permitir la captura cuando no se inserta una tarjeta de memoria.

Fundamento

El intercambio en caliente se utiliza siempre que se desea cambiar la configuración o reparar un sistema en funcionamiento sin interrumpir su funcionamiento. Puede ser simplemente por la conveniencia de evitar el retraso y la molestia de apagar y luego reiniciar un equipo complejo o porque es esencial que el equipo, como un servidor, esté continuamente activo.

El intercambio en caliente se puede usar para agregar o quitar periféricos o componentes, para permitir que un dispositivo sincronice datos con una computadora y para reemplazar módulos defectuosos sin interrumpir el funcionamiento del equipo. Una máquina puede tener fuentes de alimentación dobles, cada una adecuada para alimentar la máquina; uno defectuoso puede ser intercambiado en caliente. Las tarjetas importantes, como los controladores de disco o los adaptadores de host, pueden diseñarse con rutas redundantes para que puedan reemplazarse en caso de falla sin necesidad de interrumpir la operación del sistema informático asociado.

Consideraciones del sistema

Las máquinas que admiten el intercambio en caliente deben poder modificar su funcionamiento para la configuración modificada, ya sea automáticamente al detectar el cambio o mediante la intervención del usuario. Todas las conexiones eléctricas y mecánicas asociadas con el intercambio en caliente deben diseñarse de manera que ni el equipo ni el usuario puedan resultar dañados durante el intercambio en caliente. Otros componentes del sistema deben diseñarse de modo que la extracción de un componente intercambiable en caliente no interrumpa el funcionamiento.

Diseño mecánico

Se pueden usar placas protectoras, escudos o biseles en los componentes extraíbles o en el propio dispositivo principal para evitar que el operador entre en contacto con circuitos con alimentación activa, para proporcionar protección antiestática para los componentes que se agregan o extraen, o para evitar que los componentes extraíbles de tocar accidentalmente y cortocircuitar los componentes alimentados en el dispositivo operativo.

Se pueden usar ranuras de guía, pasadores, muescas u orificios adicionales para ayudar en la inserción adecuada de un componente entre otros componentes activos, mientras que se pueden usar pestillos, manijas o palancas de enganche mecánico para ayudar en la inserción y extracción correctas de dispositivos. que requieren grandes cantidades de fuerza para conectarse o desconectarse, o para ayudar en el acoplamiento y la sujeción adecuados de los conectores de alimentación y comunicaciones.

Variaciones

Hay dos significados ligeramente diferentes del término intercambio en caliente. Puede referirse solo a la capacidad de agregar o quitar hardware sin apagar el sistema, mientras que el software del sistema debe ser notificado por el usuario del evento para poder manejarlo. Los ejemplos incluyen RS-232 y dispositivos SCSI de gama baja. Los ejemplos incluyen dispositivos USB, FireWire y SCSI de gama alta.

Algunas implementaciones requieren un procedimiento de apagado del componente antes de la eliminación. Esto simplifica el diseño, pero tales dispositivos no son robustos en caso de falla del componente. Si se extrae un componente mientras se está utilizando, las operaciones en ese dispositivo fallan y el usuario es responsable de volver a intentarlo si es necesario, aunque esto no suele considerarse un problema.

Las implementaciones más complejas pueden recomendar, pero no requieren, que el componente se apague, con suficiente redundancia en el sistema para permitir que la operación continúe si se quita un componente sin apagarlo. En estos sistemas, el intercambio en caliente se usa normalmente para el mantenimiento regular de la computadora o para reemplazar un componente roto.

Conectores

La mayoría de los métodos modernos de intercambio en caliente utilizan un conector especializado con pines escalonados, de modo que ciertos pines se conecten antes que otros. La mayoría de los diseños de clavijas escalonadas tienen clavijas de conexión a tierra más largas que las demás, lo que garantiza que no se conecte ningún circuito sensible antes de que haya una conexión a tierra confiable del sistema. Los otros pines pueden tener todos la misma longitud, pero en algunos casos se utilizan tres longitudes de pines para que el dispositivo de entrada se conecte a tierra primero, las líneas de datos se conecten en segundo lugar y la alimentación se aplique en tercer lugar, en rápida sucesión a medida que se inserta el dispositivo. Los pines de la misma longitud nominal no necesariamente hacen contacto exactamente al mismo tiempo debido a las tolerancias mecánicas y al ángulo del conector cuando se inserta.

En un momento se pensó que los pines escalonados eran una solución costosa, pero muchas familias de conectores contemporáneos ahora vienen con pines escalonados como estándar; por ejemplo, se utilizan en todas las unidades de disco SCSI serie modernas. Los pines del conector de alimentación de conexión en caliente especializados ahora están disponibles comercialmente con clasificaciones de interrupción de corriente CC repetibles de hasta 16 A. Las placas de circuito impreso están hechas con dedos de borde escalonados para la conexión en caliente directa en un conector de placa posterior.

Aunque la velocidad de taponamiento no se puede controlar con precisión, las consideraciones prácticas proporcionarán límites que se pueden usar para determinar las peores condiciones. Para un diseño típico de pin escalonado donde la diferencia de longitud es de 0,5 mm, el tiempo transcurrido entre el contacto del pin largo y el corto es de entre 25 ms y 250 ms. Es bastante práctico diseñar circuitos de intercambio en caliente que puedan operar a esa velocidad.

Siempre que el conector de intercambio en caliente sea lo suficientemente rígido, uno de los cuatro pines de las esquinas siempre será el primero en acoplarse. Para una disposición típica de conector de dos filas, esto proporciona cuatro pines de esquina que son los primeros en fabricarse y que generalmente se usan para conexión a tierra. Se pueden usar otros pines cerca de las esquinas para funciones que también se beneficiarían de este efecto, por ejemplo, detectar cuándo el conector está completamente asentado. Este diagrama ilustra una buena práctica en la que las conexiones a tierra están en las esquinas y los pines de alimentación están cerca del centro. Dos pines de detección están ubicados en esquinas opuestas para que la detección completamente asentada se confirme solo cuando ambos estén en contacto con la ranura. Los pines restantes se utilizan para todas las demás señales de datos.

Electrónica de potencia

Las fuentes de alimentación de CC para un componente de intercambio en caliente generalmente se precargan mediante pines largos dedicados que hacen contacto antes que los pines de alimentación principales. Estos pines de precarga están protegidos por un circuito que limita la corriente de entrada a un valor aceptable que no puede dañar los pines ni perturbar el suministro de voltaje a las ranuras adyacentes. El circuito de precarga puede ser una resistencia en serie simple, una resistencia de coeficiente de temperatura negativo (NTC) o un circuito limitador de corriente. Se puede proporcionar mayor protección mediante un sistema de "arranque suave" circuito que proporciona un aumento controlado de los voltajes de suministro de CC internos dentro del componente.

Una secuencia típica para conectar un componente hot-swap en una ranura podría ser la siguiente:

1. Los pines de tierra larga hacen contacto; seguridad eléctrica básica y protección ESD se pone disponible.
2. Los pines de pre-carga largos (o medianos) hacen contacto; los condensadores de desacoplamiento comienzan a cargar.
3. Plazo real de decenas de milisegundos.
4. Los pines cortos de potencia/signal hacen contacto.
5. El conector se calienta completamente; la señal de reajuste de encendido en el componente
6. El circuito de arranque suave comienza a aplicar energía al componente.
7. Plazo real de decenas de milisegundos.
8. Circuito de arranque suave completa secuencia; circuito de reajuste de potencia desactivado
9. El componente comienza la operación normal.

Los circuitos de alimentación de intercambio en caliente ahora se pueden comprar comercialmente en ASIC especialmente diseñados llamados administradores de energía de intercambio en caliente (HSPM).

Electrónica de señales

Los circuitos conectados a los pines de señal en un componente de intercambio en caliente deben incluir cierta protección contra descargas electrostáticas (ESD). Esto generalmente toma la forma de diodos de sujeción a tierra y al voltaje de la fuente de alimentación de CC. Los efectos de ESD se pueden reducir mediante un diseño cuidadoso del paquete mecánico alrededor del componente de intercambio en caliente, tal vez cubriéndolo con una película delgada de material conductor.

Se debe tener especial cuidado al diseñar sistemas con señales en bus conectadas a más de un componente de intercambio en caliente. Cuando se inserta un componente de intercambio en caliente, sus pines de señal de entrada y salida representarán un cortocircuito temporal a tierra. Esto puede causar pulsos a nivel del suelo no deseados en las señales que pueden perturbar el funcionamiento de otros componentes de intercambio en caliente en el sistema. Este fue un problema para las primeras unidades de disco SCSI paralelas. Una solución de diseño común es proteger los pines de señal en bus con diodos o resistencias en serie. Los dispositivos de búfer CMOS ahora están disponibles con entradas y salidas especializadas que minimizan la perturbación de las señales transportadas durante la operación de intercambio en caliente. Si todo lo demás falla, otra solución es detener el funcionamiento de todos los componentes durante la operación de intercambio en caliente.

Aplicaciones

Transmisores de radio

Los transmisores de radio modernos (y algunos transmisores de televisión también) utilizan módulos de potencia de transistores de RF de alta potencia en lugar de tubos de vacío. Los módulos de potencia de intercambio en caliente no son una tecnología nueva, ya que muchos de los transmisores de radio fabricados en la década de 1930 podían cambiar las válvulas de potencia mientras el transmisor estaba funcionando, pero esta función no se adoptó universalmente debido a la introducción de alta potencia más confiable. tubos

A mediados de la década de 1990, varios fabricantes de transmisores de radio en EE. UU. comenzaron a ofrecer módulos de transistores de RF de alta potencia intercambiables.

• No había un estándar de la industria para el diseño de los módulos de energía swappable en ese momento.
• Los diseños de módulos iniciales sólo tenían una protección limitada de patentes.
• A principios de los años 2000, muchos modelos de transmisores estaban disponibles que utilizaban muchos tipos diferentes de módulos de energía.

La reintroducción de los módulos de potencia ha sido buena para la industria de los transmisores de radio, ya que ha fomentado la innovación. Los transmisores modulares han demostrado ser más confiables que los transmisores de tubo, cuando el transmisor se elige adecuadamente para las condiciones del sitio de transmisión.

Limitaciones de energía:

• Transmisor modular de potencia más baja: generalmente 1.0 kW, utilizando módulos de 600 W.
• Transmisor modular de alta potencia: 1.0 MW (para LW, MW).
• Transmisor modular de alta potencia: 45 kW (FM, TV).

Juegos

Aunque la mayoría de los sistemas de videojuegos contemporáneos pueden intercambiar juegos y multimedia (por ejemplo, Blu-rays) sin apagar el sistema, las generaciones anteriores de sistemas variaban en su soporte de capacidades de intercambio en caliente. Por ejemplo, mientras que Sony PlayStation y PlayStation 2 podrían expulsar un disco de juego con el sistema encendido, Nintendo Game Boy Advance y Nintendo 64 se congelarían y podrían corromperse si el cartucho del juego se retirara con el sistema encendido. Los fabricantes advirtieron específicamente contra tales prácticas en el manual del propietario o en el cartucho del juego. Supuestamente fue por este motivo que Stop 'N' Swop fue sacado de la serie Banjo-Kazooie. Con el sistema Sega Genesis/Mega Drive, a veces era posible aplicar trucos (como que un jugador tuviera vidas infinitas) y otras alteraciones temporales de software en los juegos intercambiando cartuchos en caliente, aunque los cartuchos no estaban diseñados para ser intercambiables en caliente.

Teclados

Los teclados intercambiables en caliente permiten cambiar los interruptores sin tener que desmontar el teclado. En los teclados con interruptor mecánico estándar, el interruptor se suelda directamente a la placa de circuito impreso. En cambio, los teclados intercambiables en caliente tienen un zócalo en su lugar que permite que el interruptor se reemplace libremente sin volver a soldarlo.

Debido a que los teclados intercambiables en caliente son menos comunes, a menudo requieren ser fabricados a medida o comprados a fabricantes de teclados personalizados. Se pueden encontrar en una variedad de tamaños y diseños, incluidos diseños ergonómicos más especializados.

Software

El intercambio en caliente también puede referirse a la capacidad de modificar el código en ejecución de un programa sin necesidad de interrumpir su ejecución. La programación interactiva es un paradigma de programación que hace un uso extensivo del intercambio en caliente, por lo que la actividad de programación se convierte en parte del flujo del programa en sí.

Solo unos pocos lenguajes de programación admiten el intercambio en caliente de forma nativa, incluidos Pike, Lisp, Erlang, Smalltalk, Visual Basic 6 (no VB.NET), Java y, más recientemente, Elm y Elixir. Microsoft Visual Studio admite un tipo de intercambio en caliente denominado Editar y continuar, que es compatible con C#, VB.NET y C/C++ cuando se ejecuta bajo un depurador.

El intercambio en caliente es el método central en la codificación en vivo, donde la programación es una parte integral del proceso de tiempo de ejecución. En general, todos los lenguajes de programación utilizados en la codificación en vivo, como SuperCollider, TidalCycles o Extempore, admiten el intercambio en caliente.

Algunos marcos basados en la web, como Django, admiten la detección de cambios en los módulos y su recarga sobre la marcha. Sin embargo, aunque es lo mismo que el intercambio en caliente para la mayoría de los intentos y propósitos, esto es técnicamente solo una purga de caché, desencadenada por un nuevo archivo. Esto no se aplica a los lenguajes de marcado y programación como HTML y PHP respectivamente, en el caso general, ya que estos archivos normalmente se reinterpretan en cada uso por defecto. Sin embargo, hay algunos CMS y otros marcos basados en PHP (como Drupal) que emplean el almacenamiento en caché. En estos casos, se aplican capacidades y excepciones similares.

El intercambio en caliente también facilita el desarrollo de sistemas en los que se procesan grandes cantidades de datos, como en genomas completos en algoritmos bioinformáticos.

Marcas

El término "CONECTOR EN CALIENTE" se registró como marca comercial en los Estados Unidos en noviembre de 1992 a nombre de Core International, Inc. y se canceló en mayo de 1999.