Integrarea procesoarelor Intel Xeon D pe modulele pe server COM-HPC furnizate de producători precum congatec permite instalațiilor de servere periferice (edge) să se elibereze de constrângerile termice stricte impuse de camerele climatizate pentru servere. Pentru prima dată, acestea pot fi acum instalate oriunde este necesar un debit masiv de date cu cele mai mici latențe posibile – până în timp real determinist.
Primele COM-HPC Server-on-Modules din lume cu procesoare Intel Xeon D eliberează serverele edge de constrângerile impuse de camerele climatizate pentru servere. congatec oferă procesorul Intel Xeon D pe COM-HPC Server Size E și Size D, precum și pe COM Express Type 7. ▶
Serverele Edge procesează datele la marginea rețelelor de comunicații, în loc de a le procesa în cloud-uri centrale. Acest lucru permite interacțiunea cu clienții de toate tipurile, fără întârzieri sau în timp real, dar pune producătorii de servere, rețele și tehnologii de stocare în fața unor provocări majore. Până în prezent, aceștia obișnuiau să dezvolte soluții standardizate de rack pentru sistemele lor, cu concepte de ventilație activă și tehnologii puternice de climatizare pentru a controla gestionarea termică a rack-urilor și climatizarea camerelor de servere. Cu toate acestea, o astfel de abordare nu mai este potrivită pentru tehnologia serverului de ultimă generație, de astăzi.
American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (Societatea americană a inginerilor care se ocupă de încălzire, refrigerare și climatizare) sau, pe scurt, ASHRAE, a analizat în detaliu problema instalării eficiente a serverelor edge performante în medii dificile. Astfel, din perspectiva companiilor implicate în domeniul încălzirii, răcirii, ventilației și climatizării, există deja recomandări destul de plauzibile cu privire la modul de proiectare a centrelor de date edge cu aer condiționat de înaltă performanță și cea mai bună izolație posibilă pentru a le proteja de căldură și frig.
Eliberarea serverelor edge de constrângerile instalațiilor de climatizare
Abordarea modulară server pe modul facilitează dezvoltarea de servere edge dedicate, cu configurații de interfață specifice aplicațiilor, utilizând plăci carrier proiectate la comandă.
ASHRAE propune o fluctuație maximă admisibilă a temperaturii de 20°C în decurs de o oră și de maximum 5°C în 15 minute pentru centrele de date edge. Acest lucru necesită o tehnologie complexă de climatizare și, prin urmare, este foarte dificil de implementat. Dar nu numai atât; respectarea acestor recomandări este aproape imposibilă, mai ales în timpul lucrărilor de întreținere în centrele de date edge – ale căror dimensiuni sunt mai mici decât o cabină telefonică – deoarece astfel de soluții trebuie deschise pentru întreținere la orice temperatură ambiantă. Pur și simplu nu este posibil să te strecori în astfel de sisteme printr-o cameră de control a climatizării și să închizi rapid ușa, la loc, înainte de a efectua lucrările de întreținere în camera serverului edge, complet climatizată.
Serverele edge și centrele de date care funcționează în medii dificile au nevoie, prin urmare, de concepte de sistem care să poată face față unor fluctuații de temperatură mai mari și unui interval de temperatură mult mai larg decât cel de 0 – 40°C, care este obișnuit pentru IT în interior. În mediile industriale, proiectele de sisteme embedded pot fi expuse la temperaturi ambiante care variază de la o temperatură arctică, de -40°C, până la o temperatură extrem de ridicată, de 85°C. Ceea ce înseamnă că fiecare componentă trebuie să fie extrem de rezistentă.
Server edge cu trei module COM-HPC pentru sarcini de lucru extreme în timp real
Proiecte multimodulare bazate pe COM-HPC
Proiect de referință de grupare (clustering) în învățare automată AI
Proiectele de servere edge COM-HPC nu se limitează la concepte cu un singur modul. Standardul acceptă, de asemenea, în mod explicit, suporturi multimodulare cu configurații eterogene de module COM-HPC care integrează, de exemplu, FPGA sau acceleratoare GPGPU. De asemenea, este posibilă o combinație de module COM-HPC Server și COM-HPC Client pe o singură placă. De exemplu, congatec colaborează în prezent cu Universitatea din Bielefeld și Christmann IT la un proiect de server edge care combină diferite module COM-HPC pe o singură placă de bază pentru a procesa sarcini de lucru extreme în timp real într-un proiect multisistem pentru clustering în învățare automată AI cu date de dimensiuni mari (hărți auto-organizate).
Proiectele robuste reduc costurile de climatizare
Cel mai nevralgic punct în proiectarea tehnologiilor de server edge, de rețea și de stocare este alegerea tehnologiei de procesare. Decizia care stă în picioare sau eșuează, odată cu această alegere, este dacă trebuie să se urmeze recomandările ASHRAE și să se investească masiv în tehnologia de climatizare și în izolare, care este însoțită de costuri ridicate de investiție și de operare pentru energia secundară. Sau dacă să se dezvolte sisteme care nu au nevoie de nimic din toate acestea, deoarece funcționează în mod fiabil chiar și la temperaturi extreme și, prin urmare, pot fi implementate în medii dure mult mai ieftin – de la instalații de fabrică la comunicații în aer liber, supraveghere video și alte echipamente de infrastructură critică, până la servere în sisteme mobile, de la trenuri și avioane până la autobuze de navetă cu conducere autonomă în orașele inteligente.
Datorită noilor procesoare Intel Xeon D, există acum o tehnologie de server foarte performantă, calificată pentru utilizarea în intervale de temperaturi extreme, de la -40°C la 85°C. Chiar și proiectele de servere de ultra înaltă performanță nu mai sunt constrânse de restricțiile termice stricte ale camerelor de servere cu aer condiționat. În cele din urmă, acestea pot fi implementate oriunde este necesară o viteză de transfer masiv de date fără latență, la marginea Internetului Lucrurilor și în fabricile de tip Industrie 4.0.
Cerințe ridicate privind proiectarea sistemelor
Cu toate acestea, un procesor de server, singur, nu este suficient pentru a construi un server edge robust. Satisfacerea cerințelor de proiectare a sistemului pentru medii dure necesită un ‘know-how’ extins. Fiecare componentă utilizată trebuie să fie calificată pentru acest mediu, iar cerințele speciale se aplică și pentru proiectarea plăcii de circuit imprimat și a plăcii în sine. Exemple sunt acoperiri speciale care protejează împotriva condensului și a altor influențe de mediu, precum și un nivel ridicat de protecție împotriva interferențelor electromagnetice străine și a semnalelor de înaltă frecvență care ar putea împiedica performanța dispozitivului.
Dezvoltatorii de tehnologii de calcul embedded, cum ar fi congatec, au zeci de ani de experiență în proiectarea unor astfel de sisteme. Aceștia integrează de mult timp tehnologiile PC standard, cum ar fi procesoarele Intel Core, în sistemele embedded într-un mod adecvat pentru utilizare industrială. Aceștia cunosc pe de rost cerințele și standardele de certificare ale unei game largi de industrii și sunt obișnuiți să își proiecteze sistemele pentru o disponibilitate pe termen lung, cu scopul de a îndeplini cerințele industriei și de a putea furniza soluții OEM cu configurații identice ale plăcilor timp de 7, 10 sau 15 ani. De asemenea, ei știu că aplicațiile industriale diferă semnificativ de proiectele de sistem standard care vizează aplicații de tip ‘office’, deoarece aplicațiile industriale necesită întotdeauna un grad mai mare sau mai mic de personalizare, ceea ce face ca proiectele modulare care implementează computere pe module să fie modalitatea ideală de dezvoltare a plăcilor. De asemenea, au învățat că standardizarea este esențială, motiv pentru care au contribuit la crearea unor standarde recunoscute la nivel mondial pentru astfel de module.
Tabel 1: Modulele COM Express Type 7 și COM-HPC Server Size D bazate pe procesoare Intel Xeon D nu diferă doar prin dimensiuni, ci și prin dispunerea pinilor.
Atingerea mai rapidă a obiectivului cu ajutorul standardelor
Odată cu noua specificație COM-HPC Server și cu lansarea procesoarelor Intel Xeon D, această expertiză la pachet a fost transpusă acum în proiectele de servere edge industriale. Pentru prima dată, dezvoltatorii au acces la produse reale. Avantajul acestor noi module standardizate COM HPC Server-on-Modules este că dezvoltatorii le pot integra în plăcile lor de bază personalizate ca logică de calcul încorporată pregătită pentru aplicații. Acest lucru înseamnă că nu trebuie să se preocupe de aspectele tehnologice de bază ale procesorului, ci doar de poziționarea specifică aplicației a componentelor plăcii și de executarea interfețelor la locul potrivit pe placa de bază. În acest scop, comitetul de standardizare PICMG a publicat recent Ghidul de proiectare COM-HPC Carrier Design Guide. Acesta oferă îndrumări esențiale pentru construirea unor platforme de calcul încorporate interoperabile și scalabile, specifice clientului, bazate pe noul standard și, de asemenea, facilitează înțelegerea de către dezvoltatori a logicii din spatele standardului.
Cunoașterea înseamnă putere
Pentru a permite dezvoltatorilor să parcurgă rapid, ușor și eficient noile reguli de proiectare, congatec a deschis o academie de formare online și la fața locului pentru proiectele COM-HPC Server și Client. Aici, dezvoltatorii pot beneficia de o introducere, ghidată de experți, în noua lume a proiectărilor ‘high-end embedded’ și ‘edge computing’ bazate pe noul standard Computer-on-Module. Programul de instruire acoperă toate elementele de bază obligatorii și recomandate pentru proiectare și schemele de bune practici ale plăcilor carrier COM-HPC și ale accesoriilor, cum ar fi soluțiile de răcire fără ventilator de înaltă performanță pentru proiecte de servere de până la 100 de wați sau mai mult. Plăcile carrier de evaluare bogate în caracteristici pentru modulele COM-HPC Server servesc drept platformă de referință pentru a învăța cum să implementezi procesoarele Intel Xeon D. Acestea valorifică întregul set de caracteristici ale standardului, iar dezvoltatorii le pot utiliza ca platforme pentru dezvoltarea ulterioară a aplicațiilor.
Academia congatec își propune să instruiască dezvoltatorii în toate aspectele fundamentale de bază ale proiectării COM-HPC – de la principiile privind straturile PCB, regulile de management al puterii și cerințele de integritate a semnalului până la selectarea componentelor. Sesiunile cu un accent special pe interfețele de comunicație oferă îndrumări privind modul de evitare a capcanelor în proiectarea dificilă a comunicațiilor seriale de mare viteză: de la PCIe Gen 4 și 5 la USB 3.2 Gen 2 și USB 4 cu Thunderbolt pe USB-C până la 100 Gigabit Ethernet, incluzând, de asemenea, gestionarea semnalelor de bandă laterală pentru interfețele 10G / 25G / 40G / 40G / 100G Ethernet KR, care în COM-HPC trebuie să fie deserializate pe placa de bază. În cadrul acestor sesiuni se explică, de asemenea, cum se utilizează în proiectele de bune practici standardele de interfață, cum ar fi eSPI, I²C și GPIOs.
O introducere în implementarea firmware-ului x86 – de la BIOS încorporat până la caracteristicile Board Management Controller și Module Management Controller – completează instruirea în proiectare. Și, nu în ultimul rând, există sesiuni privind strategiile de verificare și testare care abordează toate provocările, de la verificarea inițială a proiectării plăcii de bază (carrier) până la testarea producției de masă. Cu un program de instruire atât de cuprinzător, academia congatec își propune să facă proiectarea tehnologiei robuste a serverelor edge cât mai ușoară posibil. Inutil să mai spunem că firma poate oferi, de asemenea, clienților OEM interesați, proiecte de sisteme complete care să valorifice noile module COM-HPC Server și rețeaua mare de parteneri.
Accelerarea sarcinilor de lucru ale serverului edge
Cu toate acestea, noile module COM-HPC Server-on-Modules de dimensiuni E și D cu procesoare Intel Xeon D montate pe BGA (nume de cod Ice Lake D) impresionează nu doar prin suportul pentru intervalul de temperatură extins de la -40°C la 85°C. De asemenea, acestea elimină multe dintre blocajele anterioare cauzate de restricțiile serverului edge și vor accelera semnificativ viitoarea generație de sarcini de lucru în timp real ale micro-serverelor în medii dificile și intervale extinse de temperatură. Îmbunătățirile includ până la 20 de nuclee, până la 1TB de memorie pe un maximum de 8 socluri DRAM la 2933MT/s, până la 47 de benzi (lane-uri) PCIe per modul în total și 32 de benzi PCIe Gen 4 cu un debit dublu pe bandă, precum și conectivitate de până la 100 GbE și suport TCC/TSN cu un consum de putere optimizat datorită tehnologiei de fabricație pe 10nm. Serverele de stocare video și de analiză beneficiază, de asemenea, de suportul integrat Intel AVX-512, VNNI și OpenVINO pentru analiza de date bazată pe inteligență artificială.
Un reper pentru proiectele de servere edge în timp real
Proiectele standard de placă de bază/placă de bază suportă, de obicei, doar interfețe standard integrate care sunt executate în partea din spate a plăcii (I/O-uri spate). Deoarece acest lucru nu ține cont de cerințele industriale, adaptarea lor ca servere edge pentru Internetul Lucrurilor este limitată. Și, de regulă, acestea nu sunt nici proiectate pentru intervalul extins de temperatură de la -40°C la +85°C și nici nu garantează o disponibilitate pe termen lung de 7 până la 15 ani. Cu toate acestea, cu serverele pe modul, este posibil să se utilizeze mecanica acestor factori de formă și să se proiecteze o placă de bază care să execute interfețele dorite acolo unde acestea sunt necesare.
De fapt, lansarea pe piață a modulelor COM-HPC Server-on-Modules bazate pe Ice Lake D stabilește un punct de referință triplu: În primul rând, pentru că suportul pentru intervalul extins de temperaturi înseamnă că Intel Xeon D Server-on-Modules nu se mai limitează la aplicațiile industriale standard, ci vizează și mediile exterioare și auto. În al doilea rând, primele COM-HPC Server-on-Modules din lume măresc pentru prima dată numărul de nuclee disponibile la 20; cu până la 8 socluri DRAM, acest lucru oferă o lățime de bandă a memoriei mult mai mare decât cea a serverelor-pe-module bazate pe alte specificații PICMG. În al treilea rând, aceste noi module server sunt capabile să funcționeze în timp real, atât în ceea ce privește nucleele de procesare, cât și Ethernet în timp real activat de TCC/TSN, ceea ce este esențial pentru proiectele digitalizate IIoT și Industrie 4.0.
Pentru a putea implementa servicii de balansare și consolidare a serverelor pentru instalațiile de servere edge în timp real determinist, în care diverse aplicații în timp real funcționează independent una de cealaltă pe un singur server edge, este util ca platformele să suporte mașini virtuale capabile să funcționeze în timp real, așa cum face, de exemplu, RTS Hypervisor de la Real-Time Systems. Acest lucru permite fabricilor de tip Industrie 4.0 să găzduiască aplicații eterogene în timp real pe o singură platformă de server la marginea rețelelor lor 5G private și să aloce resurse de sistem exclusive proceselor individuale. Serverele pe modul de la congatec sunt precalificate pentru astfel de servicii. Instalațiile personalizate cu toate parametrizările necesare pot fi incluse în serviciile standard pe care congatec le oferă pentru noile module COM-HPC.
Tabel 2: Configurațiile procesoarelor Intel Xeon D 27xx HCC pentru modulele COM-HPC Server Size E (200 mm × 160 mm) de la congatec.
Tabel 3: Configurațiile procesoarelor Intel Xeon D 17xx LCC pentru modulele COM-HPC Server Size D (160 mm × 160 mm) și COM Express Type 7 (95 mm × 120 mm) de la congatec.
Modulele impresionează în plus cu un set cuprinzător de caracteristici de nivel server: Pentru proiectele critice, acestea oferă funcții 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). Pentru cele mai bune capabilități RAS, modulele de procesor integrează Intel ME Manageability Engine și suportă funcții de gestionare hardware de la distanță, cum ar fi IPMI și redfish. De fapt, există o altă specificație PICMG care asigură interoperabilitatea unor astfel de implementări, iar programul de formare al academiei congatec acoperă și acest aspect.
Opțiuni de server pe modul pentru Intel Xeon D
Noile module vor fi disponibile în variante High Core Count (HCC) și Low Core Count (LCC), cu diferite variante ale seriei de procesoare Intel Xeon D.
Modulele conga-HPC/sILH COM-HPC Server Size E vor fi disponibile cu 5 procesoare Intel Xeon D 27xx HCC diferite, cu 4 până la 20 de nuclee la alegere, 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, precum și 100 GbE throughput plus Ethernet de 2,5 Gbit/s în timp real cu suport TSN și TCC, la o putere de bază a procesorului de 65 până la 118 wați.
Modulele COM-HPC Server Size D și COM Express Type 7 vor veni cu 5 procesoare Intel Xeon D 17xx LCC diferite, cu o gamă de 4 până la 10 nuclee. În timp ce conga-B7Xl COM Express Server-on-Module suportă până la 128 GB de memorie RAM DDR4 2666 MT/s prin intermediul a până la 3 socluri SODIMM, modulul conga HPC/SILL COM-HPC Server Size D oferă 4 socluri DIMM pentru până la 256 GB de memorie RAM DDR4 rapidă de 2933 MT/s sau 128 GB cu memorie RAM ECC UDIMM. Ambele familii de module oferă 16x PCIe Gen 4 și 16x PCIe Gen 3 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 la o putere de bază a procesorului de 40 până la 67 de wați.
Modulele pot fi precomandate acum, iar mostrele de evaluare pregătite pentru aplicații – cu soluții de răcire robuste pentru a se potrivi cu TDP-ul procesorului – sunt disponibile imediat. Soluțiile de răcire variază de la răcire activă puternică cu adaptor pentru conducte de căldură la soluții de răcire complet pasive pentru cea mai bună rezistență mecanică la vibrații și șocuri. Acestea din urmă atenuează, de asemenea, stresul termic în aplicațiile care trebuie să suporte scurte perioade de fluctuații extreme de temperatură. În ceea ce privește software-ul, noile module vin cu pachete complete de suport pentru plăci cu Windows, Linux și VxWorks, precum și cu tehnologia hipervizorului RTS.
Autor:
Andreas Bergbauer, Product Line Manager COM-HPC la congatec
