česky english Vítejte, dnes je čtvrtek 11. srpen 2022

Z aktuálního vydání: Neomezená volnost pro edge servery

DPS 4/2022 | Vývoj - články
Autor: Andreas Bergbauer | congatec
01.jpg

Integrace procesorů Intel Xeon D do serverových modulů COM-HPC dodávaných výrobci, jako je firma congatec, umožňuje, aby instalace edge serverů nenarušila přísná tepelná omezení klimatizovaných serveroven. Poprvé je lze instalovat kdekoli, kde je vyžadována obrovská propustnost dat s nejnižšími možnými latencemi – až k deterministickému reálnému času.

Edge servery zpracovávají data na okraji komunikačních sítí namísto v centralizovaných cloudových aplikacích. To umožňuje interakci s klienty všeho druhu s minimálním zpožděním nebo v deterministickém reálném čase, ale pro výrobce serverových, síťových a úložných technologií to představuje velké výzvy.

Doposud pro své systémy vyvíjeli standardizovaná racková řešení s koncepty aktivního chlazení a výkonnou klimatizační technikou, která zajišťuje tepelný management racků i klimatizaci vlastních serveroven. Takový přístup však pro současné edge servery není v mnoha případech vhodný nebo ani možný.


Modulární přístup Server-on-Module usnadňuje vývoj dedikovaných edge serverů s takovým rozvržením rozhraní, které je na míru konkrétní aplikaci, realizovaným pomocí vlastních nosných desek

Americká asociace inženýrů pracujících v oblasti vytápění, chlazení a klimatizace (ASHRAE) se zabývala otázkou, jak nejlépe nainstalovat edge servery v náročném pracovním prostředí. Z pohledu společností zabývajících se topením, chlazením, větráním a klimatizací, sdružených v ASHRAE, již existují celkem spolehlivá doporučení, jak navrhovat datová centra edge s vysoce výkonnou klimatizací a co nejlepší tepelnou izolací, která je ochrání před horkem i chladem.

Edge servery se zbavují závislosti na klimatizaci

ASHRAE však navrhuje pro edge datová centra maximální přípustné kolísání teploty o 20 °C během jedné hodiny a maximálně o 5 °C za 15 minut. To vyžaduje složitou klimatizační techniku, a proto je velmi obtížné tato doporučení implementovat v praxi. Edge datová centra bývají menší než telefonní budka, ale pro údržbu je třeba je otevřít, ať je venkovní teplota jakákoliv. V plně klimatizované velké serverovně to není problém, ale v provozních podmínkách není možné před prováděním údržby vklouznout dovnitř klimatizované komory a rychle za sebou zavřít dveře.


První moduly COM-HPC Server-onModule na světě s procesory Intel Xeon D osvobozují edge servery z okovů klimatizovaných serveroven

Edge servery pracují v náročných prostředích, a proto potřebují takovou konstrukci, která dokáže zvládnout větší kolísání teploty a mnohem širší rozsah pracovních teplot než 0 až +40 °C, což je běžné pro IT systémy instalované v serverovně. V průmyslových prostředích mohou být systémy vystaveny okolním teplotám od -40 °C po +85 °C. Což znamená, že každá součást serveru musí mít zvýšenou tepelnou odolnost.

Robustní konstrukce snižuje náklady na klimatizaci

Neuralgickým bodem při konstrukci edge serverů, síťových prvků a úložišť je volba procesorů. Je třeba se rozhodnout, zda se skutečně řídit doporučeními ASHRAE a masivně investovat do klimatizační techniky a tepelné izolace serverů, což je spojeno s vysokými investičními náklady a náklady na energii pro provoz klimatizace, nebo zda vyvíjet systémy, které nic z toho nepotřebují, protože spolehlivě pracují i při extrémních teplotách, a proto mohou být implementovány v náročných prostředích mnohem levněji – od instalací v průmyslových provozech až po komunikační systémy ve venkovním prostředí, systémy pro videodohled a další systémy kritické infrastruktury nebo mobilní servery ve vlacích, letadlech nebo autonomních autobusech v chytrých městech.

Díky novým procesorům Intel Xeon D jsou nyní k dispozici velmi výkonné servery, které jsou určené pro použití v extrémních teplotách od –40 °C do +85 °C. Dokonce ani vysoce výkonné serverové sestavy již nejsou omezeny přísnými tepelnými limity klimatizovaných serveroven. Je možné je využít všude tam, kde je vyžadována velká propustnost dat bez latence na vrstvě edge internetu věcí a v průmyslu 4.0.

Vysoké požadavky na návrh systému

Robustní edge server, to není jen jeho procesor. Splnění požadavků na návrh systému pro náročná prostředí vyžaduje rozsáhlé know-how. Každá použitá součást musí být vhodná pro toto prostředí a pro návrh desky plošných spojů také platí zvláštní požadavky. Příkladem jsou speciální povlaky, které chrání před kondenzací vody a jinými vlivy prostředí, nebo vysoká úroveň ochrany před vnějšími elektromagnetickými a vysokofrekvenčními signály, které by mohly bránit funkci zařízení.

Vývojáři vestavné počítačové techniky, jako je congatec, mají s návrhem těchto systémů desítky let zkušeností. Již dlouho integrují standardní počítačové komponenty, jako jsou procesory Intel Core, do vestavných systémů způsobem, který je vhodný pro průmyslové použití. Znají požadavky a certifikační normy pro různá průmyslová odvětví, pro práci ve vnitřním i venkovním prostředí a navrhují systémy s ohledem na dlouhodobou dostupnost, aby vyhověli průmyslovým požadavkům a mohli dodávat OEM sestavy s identickými konfiguracemi desek po dobu 7, 10 nebo 15 let. Vědí také, že průmyslové počítače se výrazně liší od standardních systémů pro kancelářské prostředí, protože průmyslová zařízení vždy vyžadují větší nebo menší míru přizpůsobení, takže ideální pro návrhy takových systémů jsou moduly podle standardu Computer on Module, COM. Rovněž vědí, že klíčová je standardizace, a proto pomohli pro tyto moduly vytvořit celosvětově uznávané standardy.

Standardy pomáhají rychleji dosáhnout cíle

S novou specifikací COM-HPC Server a uvedením procesorů Intel Xeon D na trh byly tyto odborné znalosti nyní přeneseny i do oblasti průmyslových serverů edge. Vývojáři tak poprvé získávají přístup k reálným produktům. Výhodou nových standardizovaných modulů COM-HPC Server je, že je vývojáři mohou integrovat do svých vlastních nosných desek jako vestavné výpočetní moduly připravené pro konkrétní aplikace. To znamená, že se nemusí zabývat základními problémy s procesorem, ale zabývají se pouze umístěním komponent specifických pro danou aplikaci a rozhraní na správném místě nosné desky. Výbor pro standardizaci PICMG vydal kvůli tomu příručku pro konstrukci nosných desek COM-HPC (COM-HPC Carrier Design Guide). Ta poskytuje základní pokyny pro budování interoperabilních a škálovatelných vestavných počítačových platforem specifických pro daného zákazníka založených na standardu COM-HPC a také usnadňuje vývojářům pochopit logiku, z níž tento standard vychází.


Standardní konstrukce základní desky. Základní desky obvykle podporují pouze standardní rozhraní, která jsou vyvedena na zadní straně desky (zadní I/O). Protože to nebere v úvahu požadavky průmyslových úloh, je jejich použitelnost pro edge servery pro internet věcí omezená. Navíc zpravidla nejsou určené pro rozšířený rozsah pracovních teplot –40 °C až +85 °C ani nezaručují dlouhodobou dostupnost 7 až 15 let. U modulů Server-On-Module je však možné použít mechanická provedení příslušných formátů a navrhnout nosnou desku, která bude mít požadovaná rozhraní tam, kde jsou vyžadována.

Návrh systému založeného na COM-HPC s více moduly − Referenční návrh pro clustering AI – strojové učení

Návrhy edge serverů COM-HPC nejsou omezeny na koncept jednoho modulu. Standard také výslovně podporuje vícemodulové nosné desky s heterogenními konfiguracemi modulů COM-HPC, které integrují např. akcelerátory FPGA nebo GPGPU. Na jedné desce je také možná kombinace modulů COM-HPC Server a COM-HPC Client. Společnost congatec například v současné době spolupracuje s Univerzitou v Bielefeldu a s firmou Christmann IT na návrhu edge serveru v multisystémovém designu pro strojové učení AI, který kombinuje různé moduly COM-HPC na jedné nosné desce a zpracovává extrémní pracovní zatížení v reálném čase. Systém je určen pro metodu shlukování vysoce dimenzionálních dat (samoorganizující se mapy).


Edge server se třemi moduly COM-HPC pro extrémní pracovní zatížení a schopnost práce v reálném čase

Ve znalostech je síla

Aby se vývojáři mohli rychle, snadno a efektivně seznámit s novými pravidly návrhu desek, otevřela společnost congatec školicí akademii pro návrhy systémů COM-HPC Server a Client. Kurzy se konají fyzicky i virtuálně, on-line. Vývojáři zde mohou získat odborný úvod do nového světa návrhu vestavných systémů s velkým výpočetním výkonem založených na novém standardu Computer on Module. Školicí program obsahuje všechny povinné a doporučené základy konstrukce a osvědčené postupy navrhování nosných desek a příslušenství COM-HPC, jako jsou řešení chlazení bez ventilátoru pro návrh serverů o příkonu až 100 W nebo vyšším. Jako referenční platforma pro výuku implementace procesorů Intel Xeon D slouží vývojové nosné desky pro serverové moduly COM-HPC Server s bohatými funkcemi. Využívají celou sadu funkcí definovaných standardem a vývojáři je mohou používat jako platformy pro další vývoj aplikací.


Společnost congatec nabízí procesor Intel Xeon D na modulech COM-HPC Server velikostí Size E a Size D a také COM Express Type 7

Akademie congatec se zaměřuje na to, aby vývojáře naučila všechny základní principy návrhu COM-HPC – od návrhu desek plošných spojů, pravidel řízení výkonu a požadavků na integritu signálů až po výběr komponent. Přednášky se zvláštním zaměřením na komunikační rozhraní poskytují návod, jak se vyhnout nástrahám v náročném návrhu vysokorychlostní sériové komunikace: od PCIe Gen 4 a 5 a USB 3.2 Gen 2 a USB 4 s rozhraním Thunderbolt na USB-C až po 100Gb ethernet a také včetně správy vedlejších signálů pro rozhraní 10Gb, 25Gb, 40Gb nebo100Gb ethernetu KR, které v COM-HPC musí být deserializovány už na nosné desce. Během těchto přednášek je také vysvětleno, jak návrhy podle osvědčených postupů využívají standardy rozhraní, jako jsou eSPI, I²C a GPIO.

Školení zaměřené na návrhy desek doplňuje úvod do implementace firmwaru x86 – od vestavného systému BIOS po funkce řadiče desky a řadiče modulů (BMC, MMC). V neposlední řadě jsou k dispozici přednášky o strategiích verifikace a testování, které řeší všechny otázky od počátečního ověření návrhu nosné desky až po testování sériové výroby. Díky tomuto ucelenému školicímu programu akademie congatec posluchače naučí, jak co nejjednodušším způsobem navrhnout odolné edge servery. Netřeba dodávat, že společnost congatec může zákazníkům OEM, kteří projeví zájem, dodat také kompletní návrhy systémů, které využívají jejich nové moduly COM-HPC Server, a nabídnout výhody rozsáhlé partnerské sítě.

Urychlení práce edge serverů

Nové moduly COM-HPC Server ve velikostech Size E a Size D s procesory Intel Xeon D ve verzi BGA (kódové označení Ice Lake D) však na uživatele zapůsobí nejen podporou rozšířeného teplotního rozsahu od –40 °C do +85 °C. Vyřeší také mnohé předchozí problémy způsobené omezením edge serverů a výrazně urychlí příchod nové generace mikroserverů pro velké pracovní zatížení při zajištění práce v reálném čase. Ty mohou pracovat mimo serverovnu, v náročném pracovním prostředí a v rozšířeném rozsahu pracovních teplot. Mezi vylepšení patří až 20 jader, až 1 TB paměti na až 8 soketech DRAM při rychlosti 2 933 MT/s, celkem až 47 kanálů PCIe na modul, z toho 32 kanálů PCIe Gen 4 s dvojnásobnou propustností na jedné lince, ethernetové připojení 100 Gb/s a podpora TCC/TSN; to vše s optimalizovanou spotřebou energie díky 10nm výrobní technologii. Servery pro ukládání a analýzu videa využívají výhod integrované podpory Intel AVX-512, VNNI a OpenVINO pro analýzu dat na bázi AI.


Rozdíl mezi COM-HPC Server Size E a Size D s procesory Intel Xeon D spočívá v počtu možných soketů RAM. Potřebný počet soketů je určující pro velikost modulu

Milník pro návrhy edge serverů pracujících v reálném čase

Uvedení modulů Server-on-Module COM-HPC s procesory Ice Lake D na trh ve skutečnosti představuje hned tři milníky. Za prvé to je podpora rozšířeného rozsahu pracovních teplot, což znamená, že serverové moduly s procesory Intel Xeon D již nejsou omezeny na standardní průmyslové aplikace, ale umožňují také užití ve venkovním prostředí a v dopravní technice, ve vozidlech i v infrastruktuře. Za druhé serverové moduly COM-HPC poprvé na světě zvyšují počet dostupných jader na 20 a díky až 8 soketům DRAM mají podstatně větší šířku pásma paměti než serverové moduly založené na jiných specifikacích PICMG. Za třetí jsou tyto nové serverové moduly schopné práce v reálném čase, a to jak z hlediska procesorových jader, tak z hlediska komunikace v sítích ethernetu s využitím mechanismů TCC/TSN, což je nezbytné pro projekty digitalizace, IIoT a průmyslu 4.0.

Aby bylo možné implementovat služby vyrovnávání a konsolidace zátěže serverů v instalacích edge serverů s deterministickým reálným časem, kde různé aplikace vyžadující práci v reálném čase pracují nezávisle na sobě na jednom serveru, je užitečné, podporují-li platformy virtuální stroje schopné práce v reálném čase, např. prostřednictvím RTS Hypervisor od firmy Real-Time Systems. To umožňuje výrobním závodům, které zavádějí systémy podle koncepcí průmyslu 4.0, provozovat heterogenní aplikace reálného času na jedné serverové platformě edge s využitím vlastních soukromých sítí 5G a přidělovat jednotlivým procesům exkluzivně jejich systémové zdroje. Pro tyto služby nabízí firma congatec předem připravené a kvalifikované serverové moduly. Vlastní instalace se všemi potřebnými parametrizacemi mohou být zahrnuty do standardních služeb, které firma congatec nabízí pro nové moduly COM-HPC.


Až 20 jader nabízí při použití virtualizační technologie od firmy Real-Time Systems široký výběr zabezpečených možností pro velkou škálu aplikací v reálném čase

Nové moduly dále nabízejí širokou sadu serverových funkcí. Například pro moduly používané v kritických úlohách mají výkonné funkce zabezpečení hardwaru, jako jsou Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption – Multi-Tenant (Intel TME-MT) a Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Pro dosažení nejlepších možností RAS (Remote Access Service) jsou v procesorových modulech integrovány funkce Intel ME (Manageability Engine) a funkce podporující vzdálenou správu hardwaru, jako jsou IPMI a redfish. Účastníci akademie congatec budou seznámeni se specifikací PICMG, která zajišťuje interoperabilitu těchto implementací.

Možnosti serverových modulů s procesory Intel Xeon D

Nové moduly budou k dispozici ve variantách High Core Count (HCC) a Low Core Count (LCC) s různými variantami procesorů řady Intel Xeon D.

Moduly conga-HPC/sILH COM-HPC Server Size E budou k dispozici s 5 různými procesory Intel Xeon D 27xx HCC s možností volby 4 až 20 jader, mají 8 soketů DIMM pro až 1 TB rychlé paměti DDR4 2 933 MT/s s ECC, 32× PCIe Gen 4 a 16× PCIe Gen 3 a také rozhraní 100 GbE plus rozhraní 2,5 Gb/s pro ethernetovou komunikaci v reálném čase s podporou TSN a TCC, a to při základním příkonu procesoru 65 až 118 W.

Moduly COM-HPC Server Size D a COM Express Type 7 se dodávají s pěti různými procesory Intel Xeon D 17xx LCC s možností volby 4 až 10 jader. Zatímco modul conga-B7Xl COM Express Server-on-Module podporuje až 128 GB paměti RAM DDR4 2 666 MT/s instalované do až tří soketů SODIMM, modul conga-HPC/SILL COM-HPC Server Size D má čtyři sokety DIMM pro až 256 GB paměti 2 933 MT/s fast DDR4 RAM nebo 128 GB s ECC UDIMM RAM. Obě řady modulů mají až 16× PCIe Gen 4 a 16× PCIe Gen 3. Pro rychlé připojení k síti mají rozhraní až 50 GbE a rozhraní 2,5 Gb/s s možností práce v reálném čase s podporou TSN/TCC, a to při základním příkonu procesoru 40 až 67 W.

Moduly lze nyní předobjednat, zatímco zkušební vzorky připravené k použití jsou okamžitě k dispozici i s odolným řešením chlazení, které odpovídá TDP procesoru. Systémy chlazení sahají od výkonného aktivního chlazení s adaptérem na tepelné trubičky až po plně pasivní chlazení pro nejlepší mechanickou odolnost proti vibracím a otřesům. Pasivní chlazení také zmírňuje tepelné namáhání v případech, v nichž musí procesor snášet krátkodobé, ale extrémní výkyvy teploty. Co se týče softwaru, jsou nové moduly dodávány s kompletními balíčky podpory desek pro Windows, Linux a VxWorks a s hypervizorem RTS.

O společnosti congatec

congatec je rychle rostoucí technická firma, která se soustředí na produkty a služby pro vestavnou výpočetní techniku a edge computing. Vysoce výkonné počítačové moduly nacházejí uplatnění v široké škále aplikací a zařízení v průmyslové automatizaci, zdravotnické technice, dopravě, telekomunikacích a mnoha dalších oborech. Vzhledem k tomu, že většinovým vlastníkem firmy je fond DBAG Fund VIII, německý investiční fond zaměřující se na středně velké firmy v rostoucích průmyslových oborech, má společnost cognatec financování a zkušenosti z M&A, aby mohla využít příležitosti na tomto rozvíjejícím se trhu. congatec je přední firma na světovém trhu v segmentu počítačů Computer on Module s vynikající strukturou zákazníků, od start-upů po největší a nejziskovější mezinárodní firmy. Více informací je na naší webové stránce www.congatec.com nebo jsou dostupné prostřednictvím LinkedIn, Twitter a YouTube.

Partneři

eipc
epci
imaps
ryston-logo-RGB-web
mikrozone
mcu
projectik