Il condizionamento dell’aria ha sempre rappresentato un problema di notevole entità per i server edge utilizzati in ambito industriale in quanto l’elaborazione di dati decentralizzata e a livello locale viene spesso eseguita in ambienti particolarmente severi ai margini (edge, appunto) delle reti IoT (Internet of Thing) o negli stabilimenti che operano seguendo i concetti di Industry 4.0. Grazie all’integrazione dei nuovi processori Intel Xeon D sui server-on-module in formato COM-HPC questo annoso problema è stato finalmente risolto. Produttori come congatec sono in grado di fornire installazioni di server edge che non richiedono i tradizionali data center dotati di aria condizionata e possono operano in ambienti caratterizzati da notevoli variazioni di temperatura. In altre parole, questi server edge sono disponibili direttamente sul luogo dove è richiesta la loro presenza, assicurando una velocità effettiva di trasmissione dati (data throughput) molto elevata in real-time. Ciò non solo permette di ridurre i costi, ma offre anche l’opportunità di valutare applicazioni completamente nuove.
di Andreas Bergbauer – Product Line Manager COM-HPC (congatec)
Elaborazione di classe server ai margini della rete senza ricorrere all’aria condizionata
Complice la trasformazione digitale, aumenta la domanda di edge server in grado di operare in ambienti particolarmente gravosi, tra cui siti di produzione, installazioni esterne per reti di comunicazione, sistemi di videosorveglianza e altre infrastrutture critiche, oppure sistemi mobili che spaziano dai treni agli aerei ai bus navetta impiegati nelle città “intelligenti”. Applicazioni di questo tipo richiedono la disponibilità di sistemi embedded espressamente progettati per operare in un intervallo di temperatura compreso tra -40 e +85 °C e in grado di resistere a variazioni di temperatura rapide e di notevole entità. Con l’introduzione dei nuovi processori Intel Xeon D, è ora possibile realizzare di server capaci di operare a queste temperature estreme e assicurare un’elaborazione dei dati priva di latenza anche, e soprattutto, quando non sono presenti data center periferici dotatati di aria condizionata.
Nel caso dei server edge tradizionali ospitati nei data center, ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) raccomanda variazioni di temperatura massime di 20 °C (in un’ora) e di 5 °C (in 15 minuti). Per soddisfare questi requisiti sono necessari notevoli investimenti nelle tecnologie di condizionamento dell’aria e di isolamento, senza dimenticare gli elevati costi dell’energia secondaria. I server estremamente robusti e affidabili che ora è possibile realizzare ricorrendo ai nuovi processori Intel Xeon D permettono di conseguire sensibili risparmi: grazie alla loro capacità di operare anche a temperature estreme senza dover ricorrere al condizionamento dell’aria, si propongono come una soluzione per ambienti gravosi decisamente più economica.
Un design “rugged” per ridurre i costi e risparmiare energia
I server edge di tipo “rugged” devono essere progettati in modo che ogni singolo componente sia opportunamente “irrobustito” e qualificato per poter operare in ambienti gravosi. Tutto ciò richiede un know how di prim’ordine, specialmente per quanto concerne il progetto e l’assemblaggio della schda PCB, l’uso dei rivestimenti più idonei per la protezione contro l’acqua di condensa e altri agenti ambientali e la schermatura contro segnali elettromagnetici e ad alta frequenza che potrebbero penalizzare le prestazioni del dispositivo.
Aziende impegnate nello sviluppo di tecnologie di elaborazione embedded come congatec possono vantare decenni di esperienza nello sviluppo, standardizzazione e personalizzazione di sistemi di questo tipo, rendono ora disponibili i processori Intel Xeon D su server-on-module basati sullo standard COM-HPC.
Questi nuovi server-on-module sono disponibili nei formati COM-HPC Server (Size E e D) equipaggiati con processori Intel Xeon D in package BGA. Progettati per funzionare nell’intervallo di temperatura esteso (da -40 a +85 °C), sono corredati da soluzioni di raffreddamento, nella maggior parte dei casi privi di ventole, che spaziano da quelle di tipo attivo con adattatore per dissipatore a quelle di tipo completamente passivo. Queste ultime assicurano i più elevati livelli di resistenza meccanica contro sollecitazioni e vibrazioni e sono in grado di attenuare le sollecitazioni termiche in tutte le applicazioni dove sono previste variazioni improvvise a temperature elevate. Ciò elimina il ricorso a ulteriori sistemi per il condizionamento dell’aria, una prassi comunemente adottata quando si utilizzano server edge ospitati in rack che prevedono la gestione termina oppure ubicati in data center dotati di sistemi per il condizionamento dell’aria.
Esecuzione dei carichi di lavoro dei server edge in real time
Rispetto alle precedenti soluzioni destinate all’uso in ambienti gravosi, i nuovi server-on-module in formato COM-HPC permettono di accelerare sensibilmente l’esecuzione dei carichi di lavoro (workload) in real time dei micro server. Le prestazioni richieste per espletare tale compito sono disponibili grazie a un massimo di 20 core e di 1 TByte di RAM (su un massimo di 8 zoccoli DRAM con velocità di trasferimento di 2993 MT/s), fino a 47 canali (lane) PCIe per modulo in totale, tra cui 32 canali PCIe Gen4 (che garantiscono il raddoppio del throughput per canale), connettività fino a 100 GbE e supporto TCC/TSN. Questi processori, inoltre, sono realizzati sfruttando il processo da 10 um di Intel che garantisce consumi di potenza ottimizzati. Il set di istruzioni AVX-512 integrato che supporta le istruzioni VNNI (Vector Neural Network Instructions) e il toolkit OpenVINO per l’analisi dei dati basata sull’intelligenza artificiale (AI) risultano particolarmente utili nel caso di server impiegati per espletare compiti di archiviazione e analisi video.
Poiché per poter eseguire differenti applicazioni in real-time in modo indipendente su un singolo server edge sono necessari servizi di bilanciamento e consolidamento, è indispensabile che la piattaforma sia in grado di supportare macchine virtuali in real-time come, ad esempio, RTS hypervisor di Real Time Systems. La virtualizzazione permette alle imprese di ospitare applicazioni real-time eterogenee su un’unica piattaforma server posta alla periferie delle loro reti 5G private e di assegnare risorse di sistema a compiti (task) e processi dedicati. I server-on-module di congatec sono già predisposti per supportare tali servizi: le parametrizzazioni necessarie per i servizi di co-locazione in real-time, ad esempio per le installazioni multi-vendor nelle fabbriche 4.0, possono essere aggiunte in tempi brevi, in modo da consentire agli operatori delle fabbriche di supportare i differenti servizi dei loro fornitori in maniera più efficiente grazie ai data server ai margini della rete 5G in grado di operare in real-time.
Nuove dimensioni per l’elaborazione ai magini della rete
L’introduzione sul mercato dei server-on-module in formato COM-HPC basati sui processori Ice Lake D rappresenta un vero e proprio punto di svolta per il progetto dei server edge per tre motivi: possibilità di installazione e utilizzo (deploy) in ambienti completamenti nuovi, aumento delle prestazioni e supporto per il funzionamento deterministico in real-time. Oltre alle applicazioni industriali standard, i server-on-module con processori Intel Xeon D possono essere impiegati in applicazioni esterne (outdoor) e sui veicoli mobili, essendo in grado di operare in un intervallo di temperatura esteso e senza richiedere l’uso di aria condizionata. Il notevole incremento delle prestazioni di questi primi server-on-module in formato COM-HPC è il risultato di un’ampiezza di banda di memoria decisamente superiore, possibile grazie alla disponibilità, per la prima volta, di 20 core abbinati a un massimo di 8 zoccoli di DRAM. Grazie infine ai core del processore e alle connessioni 5G ed Ethernet real-time che supporta TCC/TSN, questi moduli server offrono funzionalità real-time, essenziali per una digitalizzazione efficiente dei progetti IIoT e Industry 4.0.
I moduli includono una vasta gamma di funzionalità di classe server. Per i progetti destinati ad applicazioni “mission critical”, ad esempio, sono previste robuste funzionalità di protezione hardware tra cui Intel Boot Guard, Intel TME-MT (Total Memory Encryption-Multi Tenant) e Intel SGX (Software Guard eXtension). Per garantire le migliori prestazioni a livello RAS, i nuovi moduli processore integrano Intel ME (Manageability Engine) e supportano le applicazioni di gestione dell’hardware da remoto come IPMI e Redfish, che sono definite da una specifica PICMG. Ciò contribuisce a garantire l’interoperabilità di queste implementazioni ed è un aspetto compreso nelle sessioni di formazione della scuola istituita da congatec.
congatec mette inoltre a disposizione una gamma completa di servizi per sviluppi di sistemi individuali e implementazioni personalizzate che spazia dalla formazione per la progettazione di sistemi conformi a COM-HPC al supporto personalizzato per l’integrazione fino ad arrivare al collaudo di conformità per progetti di schede carrier custom.
Già disponibili i server-on-module con processori Intel Xeon D
Versioni “application-ready” dei moduli di seguito descritti sono già disponibili, corredate dalle soluzioni di raffreddamento più adatte per il TDP dello specifico processore. Per quanto concerne il software, I nuovi moduli prevedono una gamma completa di BSP (Board Support Package) per Windows, Linux e VxWorks, oltre al supporto per RTS hypervisor. I nuovi moduli sono disponibili in versioni con elevato numero di core (HCC – High Core Count) e con ridotto numero di core (LCC – Low Core Count) dei processori Intel Xeon D.
Versioni HCC
I moduli conga-HPC/sILH in formato COM-HPC Server (Size E) saranno disponibili con cinque differenti processori Intel Xeon D-27xx di tipo HCC (con un numero di core compreso tra 4 e 20), 8 zoccoli DIMM che potranno ospitare fino a 1 Tbyte di memoria DDR4 veloce (con velocità di trasferimento di 2993 MT/s) con ECC, 32 porte PCIe Gen 4 e 16 porte PCIe Gen 3. Tra le altre caratteristiche di rilievo da segnalare la disponibilità di porte 100 GbE e 2,5 GbE con supporto TSN/TCC per il funzionamento real time. La dissipazione di potenza (base) dei processori è compresa tra 65 e 118 W.
Versioni LCC
I moduli nei formati COM-HPC Server (Size D) e COM Express con pinout Type 7 saranno disponibili con cinque differenti modelli di processori Intel Xeon D-17xx di tipo LCC, con un numero di core compreso tra 4 e 10. Mentre il Server-on-Module conga-B7Xl in formato COM Express supporta fino a 128 GB di memoria RAM DDR4 (operante a 2666 MT/s) in tre zoccoli SODIMM, il modulo conga-HPC/sILL in formato COM-HPC Server (Size D) prevede 4 zoccoli SODIMM che possono ospitare fino a 256 GB di RAM DDR4 veloce (operante a 2933 MT/s) oppure 128 GB di RAM UDIMM con ECC. Entrambi i moduli dispongono di 16 canali PCIe Gen 4 e altrettanti canali PCIe Gen 3. Per la connessione in rete veloce i moduli prevedono porte fino a 50 GbE e 2,5 GbE con supporto TSN/TCC, mentre la dissipazione (base) dei processori è compresa tra 40 e 67 W.
