Celulele 5G capabile să funcționeze în timp real, cu servere edge integrate, reprezintă o tehnologie cheie pentru transformarea digitală, deschizând o mulțime de noi oportunități pentru aplicațiile IIoT, Industrie 4.0 și infrastructuri critice. Cu toate acestea, pentru a putea procesa datele în timp real și cu latență redusă în medii dure din fabrici și în exterior, astfel de soluții trebuie să fie special consolidate. În acest scop, primele module COM-HPC SoM (Server-on-Modules) din lume, proiectate pentru a opera în afara centrelor de date cu aer condiționat, sunt acum lansate în domeniul industrial.
Transformarea digitală în producția industrială necesită rețele rapide în timp real, însă instalarea de cabluri peste tot nu este întotdeauna posibilă.
Celulele 5G industriale pot avea sarcini extrem de diverse. Serverele pe modul, care permit scalarea performanței rețelelor 5G și a performanțelor de calcul periferic, oferă producătorilor de echipamente originale posibilitatea de a scala în mod rentabil performanțele celulelor mici, care abia dacă sunt mai mari decât o cutie de pizza. (© congatec) ▶
Standardul 5G capabil să funcționeze în timp real reprezintă, prin urmare, o adevărată revoluție pentru comunicațiile industriale, deoarece permite distribuirea și procesarea wireless fiabilă a unor cantități masive de date în timp real și, ceea ce este important, pe distanțe mai mari decât în cazul WLAN. Și, deoarece atât dispozitivele staționare, cât și cele mobile pot utiliza rețeaua 5G, conectarea unor fabrici întregi devine posibilă. Pentru astfel de cazuri de utilizare, 5G poate gestiona o densitate mare de dispozitive conectate în rețea și oferă timpi de răspuns și de latență scurți, de ordinul milisecundelor. Prin ‘felierea rețelei’ (network slicing), 5G deschide și posibilitatea de a crea rețele virtuale independente care sunt separate logic de o rețea fizică. În sfârșit, 5G oferă, de asemenea, fundamentul pentru introducerea arhitecturilor cloud-native care, cu ajutorul tehnologiei edge computing bazate pe 5G, devin servere ‘fog’ capabile să lucreze în timp real și care pot comunica wireless cu toate tipurile de dispozitive.
Infrastructuri 5G private pentru aplicații critice pentru întreprinderi
Prin deschiderea gamei de frecvențe cuprinse între 3,7 și 3,8 GHz pentru rețelele mobile private, 5G poate fi utilizat și operat în mod privat de o mare varietate de rețele de campus în mediile Industrie 4.0 și de infrastructuri critice din multe alte industrii. Scalabilitatea acestor infrastructuri private și compatibilitatea 5G cu standardele anterioare de comunicații mobile, de așteptat și pentru generațiile viitoare, oferă, de asemenea, o siguranță ridicată a investițiilor. Prin urmare, din ce în ce mai multe companii își crează propriile rețele 5G private, la fața locului, pentru a rula aplicații critice pentru afaceri și pentru a digitaliza producția – o tendință care se preconizează că se va intensifica în anii următori, potrivit unui studiu recent realizat de MarketsandMarkets.
Dacă celulele 5G suportă TSN, acestea pot găzdui aplicații în timp real. (© congatec)
Bineînțeles, companiile pot utiliza și rețele publice. Cu toate acestea, în zonele rurale, unde stația de bază publică utilizează banda de 700 MHz pentru a atinge distanțe de 15-20 km, rata de transfer de date este limitată la 100-200 de megabiți pe secundă. Deși acest lucru ar fi suficient pentru ca o mare fabrică de automobile să-și “acopere” întreaga zonă de producție cu o singură celulă 5G – care, în cazul VW din Wolfsburg, se întinde pe aproximativ 6 kilometri pătrați – lățimea de bandă disponibilă nu este suficientă pentru o fabrică complet conectată. Acest lucru ar necesita întreaga lățime de bandă a capacității de transfer de date 5G, motiv pentru care companiile doresc să își construiască propriile rețele de campus. Frecvența de 3,7 până la 3,8 GHz a unor astfel de rețele permite viteze maxime în amonte de 100 până la 200 Mbiți/s și viteze de descărcare de 200 până la 1000 Mbiți/s. Cu toate acestea, raza de acțiune a celulelor este limitată undeva între 300 de metri și 3 kilometri, pe o linie de vedere directă. Prin urmare, instalațiile necesită mai mult de o celulă. Adesea, acestea sunt așa-numitele celule mici sau femtocelule foarte compacte. Celulele mici au dimensiunea unei cutii de pizza. Fără tehnologia integrată a serverului edge, femtocelulele și mai mici au dimensiunea unei cărți de buzunar și sunt disponibile pentru achiziții private.
Tehnologia robustă a serverului edge 5G deschide noi perspective de performanță
În astfel de instalații, infrastructura serverului edge din spatele microcelulelor 5G ar trebui, în mod ideal, să fie furnizată direct în sau la infrastructura stației de bază/RAN (Radio Access Network) prin implementarea de funcții de rețea virtuală (Virtual Network Functions – VNF). Deși sunt posibile și alte scenarii de implementare în altă parte a infrastructurii, cum ar fi în microcentre de date, cu condiția să fie îndeplinite cerințele de latență. Avantajul unei platforme hardware partajate este că atât funcționalitatea serverului cloud edge, cât și virtualizarea funcțiilor de rețea (NFV) pot fi implementate împreună în unitatea centralizată (CU).
Consolidarea serverelor la limita industrială 5G: Până la 20 de nuclee pot găzdui o varietate de aplicații 5G NVF și aplicații industriale în timp real. (© congatec)
Celulele necesită integrarea tuturor echipamentelor hardware necesare pentru a genera și procesa semnalele 5G. Acest lucru formează interfața fizică între rețeaua radio 5G și banda de bază digitală. Suplimentar, este necesară, de asemenea, integrarea performanțelor serverelor necesare pentru funcțiile individuale ale serverelor edge. Deoarece funcțiile pot varia de la o aplicație la alta, se recomandă o abordare de proiectare modulară, care să utilizeze așa numitele ‘Server-on-modules’ (SoM). În acest caz, funcțiile specifice aplicației pot fi realizate pe placa purtătoare (carrier) – inclusiv, de exemplu, implementarea logicii radio 5G cu modulele de expansiune corespunzătoare. Cu ajutorul modulelor SoM bazate pe noul standard PICMG COM-HPC și care dispun de noile procesoare Intel Xeon D, dezvoltatorii pot avea acces la o clasă de performanță care până acum era de neatins pentru mediile dure. Aceste module robuste pot funcționa în intervalul extins de temperatură de la -40°C la +85°C, sunt proiectate pentru o disponibilitate pe termen lung și oferă protecție specială împotriva interferențelor electromagnetice, precum și a șocurilor și vibrațiilor.
Pentru a asigura performanța necesară, modulele dispun de până la 20 de nuclee, până la 1TB de memorie cu până la 8 socluri DRAM la 2933MT/s, până la 47 de benzi PCIe per modul în total și 32 de benzi PCIe Gen 4 cu debit dublu pe bandă, precum și conectivitate de până la 100 GbE și suport pentru calcul coordonat în timp (TCC) și rețele sensibile la timp (TSN) pentru a permite comunicarea în timp real între dispozitive. În viitor, sunt așteptate și alte creșteri semnificative ale performanțelor, odată cu lansarea de noi module. Cu toate acestea, performanțele disponibile în prezent sunt pe deplin suficiente pentru proiectele actuale de rețele de campus cu soluții Open-RAN care utilizează în total 5 procesoare de server pentru nucleul de pachete backhaul și pentru serverele CU/DU midhaul. Totuși, acestea necesită climatizarea rack-ului și nu pot fi utilizate în intervalul extins de temperatură. Prin consolidarea acestor funcții într-o singură microcelulă, devine imaginabilă implementarea unor celule 5G mici mai puțin performante, dar capabile să funcționeze în timp real, pe doar două module virtualizate.
Timp real determinist cu virtualizare nativă în cloud
Totuși, pentru a putea rula diferite aplicații în timp real în mod independent pe un singur server edge, aveți nevoie și de servicii de echilibrare și consolidare a serverelor. Ambele sunt necesare și pentru susținerea, pe partea de platformă, a mașinilor virtuale cu capabilități de timp real, care asigură funcționalitatea de server pentru nevoile de comunicare ale abonaților 5G. Hipervizorul în timp real de la Real-Time Systems este ideal în acest scop, de exemplu. O astfel de virtualizare permite întreprinderilor să își utilizeze rețelele private 5G pentru aplicații eterogene în timp real găzduite pe o singură platformă de server prin utilizarea ‘felierii’ rețelei. Acest lucru le permite apoi să-și aloce resurse de sistem dedicate sarcinilor și proceselor individuale pentru a asigura determinismul. Serverele SoM de la congatec sunt create pentru astfel de cazuri de utilizare și pot fi modificate rapid pentru a include parametrizările necesare pentru serviciile de colocare în timp real, în care diferite aplicații împart resurse. Acest lucru permite operatorilor de fabrici să provizioneze mai eficient serverele edge de date 5G capabile să funcționeze în timp real pentru servicii precum automatizarea mașinilor, controlul roboților sau logistica automatizată în unitățile lor de producție.
Un alt avantaj al noilor module este faptul că acestea integrează deja TSN în mod nativ în modulul de procesare. În cazul în care logica de bază 5G suportă, de asemenea, TSN, modulele permit schimbul de date standardizat și comunicarea continuă și transparentă de la senzor la cloud, de exemplu, utilizând OPC UA ca protocol deschis de comunicație în timp real. Alianța 5G pentru industrii conectate și automatizări (5G-ACIA), un grup de lucru al principalei asociații de producători germani ZVEI, elaborează specificațiile necesare pentru QoS, securitatea rețelei și, mai ales, integrarea TSN. Acest lucru ar trebui să permită chiar și un timp real izocron fără jitter, în care timpii de ciclu de comunicație sunt cronometrați cu precizie și pot fi sincronizați în ambele direcții de la 100µs la 2ms.
În viitor, specificația COM-HPC va fi extinsă pentru a include siguranța funcțională. Modulele care suportă această funcționalitate ar putea fi utilizate pe post de controlere centrale pentru vehicule intralogistice autonome, cum ar fi remorchere, transportoare de încărcături, stivuitoare, vehicule pentru liniile de asamblare sau transpalete sau pentru a orchestra roboți colaborativi. Acest lucru va face posibilă furnizarea de module de computere precertificate care să faciliteze și să accelereze realizarea de noi aplicații de siguranță pentru clienți.
Soluția completă: COM-HPC Server-on-Modules pentru microcelule 5G
Noile module SoM COM-HPC revoluționează proiectarea serverului edge din trei puncte de vedere: Proiectele de servere rezistente cu noile procesoare Intel Xeon D pot fi implementate în microcelulele rețelelor 5G private fără aer condiționat suplimentar. Acest lucru, precum și suportul pentru intervalul extins de temperatură, face ca noile modele să fie potrivite pentru utilizare dincolo de mediile industriale standard, inclusiv pentru aplicații mobile și de exterior în construcții sau în agricultură. Primele servere pe modul COM-HPC din lume de la congatec oferă performanțe și scalabilitate semnificativ îmbunătățite, oferind o lățime de bandă de memorie extrem de mare, cu până la 20 de nuclee și până la 8 socluri DRAM. Pe lângă această premieră în industrie, ele permit, de asemenea, timp real determinist în IoT industrial. Acest lucru le face să fie baza ideală pentru construirea de celule 5G personalizate cu tehnologie de server edge integrată ca soluție ‘all-in-one’.
Pentru administratorii de rețele 5G, noile module oferă, de asemenea, un set de funcții de server de înaltă calitate, specifice aplicațiilor: Pentru proiectele critice pentru afaceri, acestea includ caracteristici puternice de securitate hardware, cum ar fi Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption – Multi-Tenant (Intel TME-MT) și Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Funcționalitățile cuprinzătoare ale serverului de aplicații la distanță (RAS) susțin funcțiile de administrare hardware la distanță, cum ar fi IPMI și Redfish, pentru care există, de asemenea, o specificație PICMG prin care se asigură interoperabilitatea unor astfel de implementări. În sfârșit, congatec oferă, de asemenea, servicii complete pentru a ajuta la dezvoltarea sistemelor individuale și la implementări specifice clienților. Aceste servicii variază de la formarea în domeniul proiectării COM-HPC până la asistență personală pentru integrare și testarea conformității proiectelor de plăci purtătoare (carrier) specifice clientului.
(© congatec)
Disponibile acum: Servere pe modul cu Intel Xeon D
Mostrele pregătite pentru aplicații ale modulelor SoM de mai jos sunt disponibile în prezent, inclusiv soluții de răcire robuste adecvate pentru TDP-ul procesorului respectiv. În ceea ce privește software-ul, noile module sunt livrate cu pachete complete de suport pe placă pentru Windows, Linux și VxWorks, precum și pentru hipervizorul RTS. Variantele de procesoare cu număr mare de nuclee (HCC) și cu număr mic de nuclee (LCC) suportate din seria de procesoare Intel Xeon D includ:
Variante HCC
Modulele COM-HPC Server Size E (conga-HPC/sILH) sunt oferite în 5 variante diferite de procesoare Intel Xeon D 27xx HCC, cu o gamă de 4 până la 20 de nuclee, 8 socluri DIMM pentru până la 1 TByte de memorie DDR4 rapidă de 2933 MT/s cu ECC, 32x PCIe Gen 4 și 16x PCIe Gen 3 și 100 GbE de debit plus Ethernet de 2,5 Gbit/s în timp real cu suport TSN/TCC la o putere de bază a procesorului de 65-118 Wați.
Variante LCC
Noile module COM-HPC Server Size D, precum și modulele COM Express Type 7 tradiționale, vin cu 5 procesoare LCC Intel Xeon D 17xx diferite, cu o gamă de 4 până la 10 nuclee. În timp ce conga B7Xl COM Express Server-on-Modules suportă până la 128 GB DDR4 2666 MT/s RAM cu până la 4 socluri SODIMM, modulul conga-HPC/SILL COM-HPC Server Size D oferă 4 socluri DIMM pentru până la 256 GB 2933 MT/s DDR4 RAM sau 128 GB cu ECC UDIMM RAM. Ambele familii de module oferă 16x PCIe Gen 4 și 16x PCIe Gen 3 benzi (lane-uri). Pentru rețele rapide, acestea oferă un debit de până la 50 GbE și suport TSN/TCC prin Ethernet de 2,5 Gbit/s și putere de procesare de 40-67 Wați.
Autor
Zeljko Loncaric, inginer în cadrul departamentul de Marketing al companiei congatec.
