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Libertad sin límites para los servidores edge

Figura 1. Los primeros módulos servidor COM-HPC del mundo con procesadores Intel Xeon D liberan a los servidores edge de las ataduras de las salas de servidores con aire acondicionado.

Procesadores Intel Xeon D en módulos servidor COM-HPC

La integración de los procesadores Intel Xeon D en los módulos servidor COM-HPC de fabricantes como congatec permite que las instalaciones de servidores edge se liberen de las estrechas limitaciones térmicas de las salas de servidores con aire acondicionado. Por primera vez, pueden instalarse en cualquier lugar en el que se requiera un rendimiento de datos masivo con las latencias más bajas posibles, hasta llegar al tiempo real determinista.

Los servidores edge procesan los datos en el borde (edge) de las redes de comunicación, en lugar de en las nubes (cloud) centrales. Esto permite interactuar con clientes de todo tipo sin retrasos o en tiempo real, pero plantea grandes retos a los fabricantes de tecnologías de servidores, redes y almacenamiento.

Hasta ahora, solían desarrollar soluciones de rack estandarizadas para sus sistemas, con conceptos de ventilación activa y una potente tecnología de climatización para controlar la gestión térmica de los racks y la climatización de las salas de servidores. Sin embargo, este enfoque ya no suele ser adecuado para la tecnología de servidores de vanguardia actual.

La American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, o ASHRAE para abreviar, ha estudiado a fondo la cuestión de cómo instalar mejor el rendimiento de los servidores edge en entornos adversos. Así que, desde la perspectiva de las empresas asociadas de calefacción, refrigeración, ventilación y aire acondicionado, ya existen recomendaciones bastante plausibles sobre cómo diseñar los centros de datos edge con una climatización de alto rendimiento y el mejor aislamiento posible para protegerlos del calor y el frío.

Liberar a los servidores edge de los grilletes de la climatización

Sin embargo, ASHRAE propone una fluctuación de temperatura máxima permitida de 20°C en una hora y un máximo de 5°C en 15 minutos para los centros de datos edge. Esto requiere una compleja tecnología de climatización y, por tanto, es muy difícil de aplicar. Pero no sólo eso; cumplir estas directrices es casi imposible, especialmente durante los trabajos de mantenimiento en los centros de datos edge que son más pequeños que una cabina telefónica, porque estas soluciones deben abrirse para el mantenimiento a cualquier temperatura ambiente. Sencillamente, no es posible introducirse en estos sistemas a través de una cámara de climatización y volver a cerrar rápidamente la puerta antes de realizar los trabajos de mantenimiento en la sala de servidores edge totalmente climatizada.

Los servidores edge y los centros de datos que operan en entornos adversos necesitan, por tanto, diseños de sistemas que puedan hacer frente a mayores fluctuaciones de temperatura y a un rango de temperaturas mucho más amplio que los 0-40 °C habituales en la IT de interior. En los entornos industriales, los diseños de sistemas embebidos pueden estar expuestos a temperaturas ambientales que van desde los -40 °C árticos hasta unos +85 °C abrasadores. Lo que significa que cada componente debe estar reforzado.

Los diseños robustos reducen los costes de climatización

El punto más neurálgico en el diseño de los servidores edge, las redes y las tecnologías de almacenamiento es la elección de la tecnología del procesador. La decisión que va y viene con esta elección es si se siguen las recomendaciones de la ASHRAE y se invierte masivamente en tecnología de climatización y aislamiento, lo que conlleva elevados costes de inversión y funcionamiento de la energía secundaria. O si desarrollar sistemas que no necesiten nada de eso porque funcionan de forma fiable incluso a temperaturas extremas y, por tanto, pueden implantarse en entornos adversos de forma mucho más barata: desde instalaciones de fábricas hasta comunicaciones exteriores, videovigilancia y otros equipos de infraestructuras críticas, pasando por servidores en sistemas móviles que van desde trenes y aviones hasta autobuses lanzadera autónomos en ciudades inteligentes.

Gracias a los nuevos procesadores Intel Xeon D, ahora existe una tecnología de servidores muy potente que está cualificada para su uso en rangos de temperatura extremos, desde -40°C hasta +85°C. Incluso los diseños de servidores de ultra alto rendimiento ya no están limitados por las estrictas restricciones térmicas de las salas de servidores con aire acondicionado. En definitiva, pueden desplegarse allí donde se requiera un rendimiento de datos masivo y sin latencia en el borde (edge) del Internet de las Cosas y en las fábricas de la Industria 4.0.

Sin embargo, un procesador de servidor por sí solo no hace robusto a un servidor edge. Cumplir con las exigencias de diseño del sistema para entornos adversos también requiere amplios conocimientos técnicos. Cada uno de los componentes utilizados debe estar cualificado para este entorno, y también se aplican requisitos especiales al diseño de la placa de circuitos y de la tarjeta. Algunos ejemplos son los recubrimientos especiales que protegen contra el agua de condensación y otras influencias ambientales, o un alto nivel de protección contra señales electromagnéticas y de alta frecuencia extrañas que podrían dificultar el rendimiento del dispositivo.

enfoque modular

Figura 2. El enfoque modular Server-on-Module facilita el desarrollo de servidores edge dedicados con diseños de interfaz específicos para la aplicación utilizando placas portadoras diseñadas a medida.

Los desarrolladores de tecnologías de sistemas embebidos, como congatec, tienen décadas de experiencia en el diseño de este tipo de sistemas. Llevan mucho tiempo integrando tecnologías de PC estándar, como los procesadores Intel Core, en sistemas embebidos de forma adecuada para su uso industrial. Conocen a la perfección los requisitos y las normas de certificación de una amplia gama de industrias y están acostumbrados a diseñar sus sistemas para que estén disponibles a largo plazo, con el fin de cumplir los requisitos de la industria y poder suministrar soluciones OEM con configuraciones de placa idénticas durante 7, 10 o 15 años. También saben que las aplicaciones industriales difieren significativamente de los diseños de sistemas estándar para el entorno de oficina, ya que las aplicaciones industriales siempre requieren un mayor o menor grado de personalización, lo que hace que los diseños modulares que implementan módulos COM sean la forma ideal de desarrollar placas. También han aprendido que la estandarización es clave, por lo que han contribuido a crear normas reconocidas a nivel mundial para este tipo de módulos.

Llegar a meta más rápido con los estándares

Con la nueva especificación del servidor COM-HPC y el lanzamiento de los procesadores Intel Xeon D, esta experiencia combinada se ha trasladado ahora a los diseños de servidores industriales de vanguardia. Por primera vez, los desarrolladores tienen acceso a productos reales. La ventaja de estos nuevos módulos servidor estandarizados COM-HPC es que los desarrolladores pueden integrarlos en sus placas portadoras personalizadas como lógica informática integrada lista para la aplicación. Esto significa que no tienen que preocuparse por las cuestiones básicas de la tecnología de los procesadores, sino que sólo tienen que ocuparse del posicionamiento específico de la aplicación de los componentes de la placa y ejecutar las interfaces en el lugar adecuado de la placa portadora. Para ello, el comité de estandarización del PICMG ha publicado recientemente la COM-HPC Carrier Design Guide (Guía de Diseño de Portadoras COM-HPC). En ella se ofrecen directrices esenciales para construir plataformas informáticas embebidas específicas para el cliente, interoperables y escalables, basadas en el nuevo estándar, y también facilita a los desarrolladores la comprensión de la lógica que subyace al estándar.

El conocimiento es poder

Para permitir a los desarrolladores sumergirse de forma rápida, fácil y eficiente en las nuevas normas de diseño, congatec ha abierto una academia de formación online y presencial para los diseños de servidores y clientes COM-HPC. Aquí, los desarrolladores pueden obtener una introducción guiada por expertos al nuevo mundo de los diseños de sistemas embebidos y edge de alta gama basados en el nuevo estándar COM (Computer-on-Module). El programa de formación cubre todos los aspectos básicos de diseño obligatorios y recomendados, así como la guía de mejores prácticas para el diseño de las placas portadoras COM-HPC y los accesorios, como las soluciones de refrigeración sin ventilador de gama alta para diseños de servidores de hasta 100 vatios o más. Las placas portadoras de evaluación de los módulos servidor COM-HPC sirven como plataforma de referencia para aprender a implementar los procesadores Intel Xeon D. Aprovechan todo el conjunto de características del estándar, y los desarrolladores pueden utilizarlas como plataformas para el desarrollo posterior de aplicaciones.

La academia de congatec pretende formar a los desarrolladores en todos los aspectos básicos del diseño COM-HPC, desde los principios de la capa de PCB, las reglas de gestión de la alimentación y los requisitos de integridad de la señal hasta la selección de componentes. Las sesiones con un enfoque especial en las interfaces de comunicación proporcionan orientación sobre cómo evitar las trampas en el desafiante diseño de las comunicaciones en serie de alta velocidad: desde PCIe Gen 4 y 5 hasta USB 3.2 Gen 2 y USB 4 con Thunderbolt en USB-C hasta 100 Gigabit Ethernet, y también incluyendo la gestión de las señales de banda lateral para las interfaces KR Ethernet de 10G / 25G / 40G / 100G, que en COM-HPC deben ser deserializadas en la placa portadora. Durante estas sesiones también se explica cómo los diseños de buenas prácticas utilizan estándares de interfaz como eSPI, I²C y GPIOs.

placa madre

Figura 3. Los diseños de placa base/placa madre estándar normalmente sólo admiten interfaces estándar a bordo que se ejecutan en la parte trasera de la placa (E/S traseras). Como esto no tiene en cuenta los requisitos industriales, su idoneidad como servidores edge para el Internet de las cosas es limitada. Y, por regla general, no están diseñados para el amplio rango de temperaturas desde -40°C a +85°C ni garantizan una disponibilidad a largo plazo de 7 a 15 años. Sin embargo, con los módulos servidor es posible utilizar la mecánica de estos factores de forma y diseñar una placa portadora que ejecute las interfaces deseadas allí donde se requieran.

Una introducción a la implementación del firmware x86 -que abarca desde la BIOS embebida hasta las funciones del controlador de gestión de la placa y del controlador de gestión del módulo- complementa la formación sobre el diseño. Y, por último, pero no menos importante, hay sesiones sobre estrategias de verificación y prueba que abordan todos los retos, desde la verificación del diseño inicial de la placa base hasta las pruebas de producción en masa. Con un programa de formación tan completo, la academia de congatec pretende facilitar al máximo el diseño de la tecnología de servidores edge robustos. Ni que decir tiene que la empresa también puede proporcionar a los clientes OEM interesados diseños de sistemas completos que aprovechen sus nuevos módulos servidor COM-HPC y su amplia red de socios.

Diseño de referencia para clustering de IA de aprendizaje automático

Los diseños de servidores edge COM-HPC no se limitan a conceptos de un solo módulo. El estándar también admite explícitamente soportes multimódulo con configuraciones heterogéneas de módulos COM-HPC que integran, por ejemplo, FPGAs o aceleradores GPGPU. También es posible una mezcla de módulos servidor COM-HPC y cliente COM-HPC en una placa. Por ejemplo, congatec está trabajando actualmente con la Universidad de Bielefeld y Christmann IT en un diseño de servidor edge que combina diferentes módulos COM-HPC en una placa base para procesar cargas de trabajo en tiempo real extremo en un diseño multisistema para clustering de IA de aprendizaje automático de datos de alta dimensión (mapas auto-organizados).

servidor edge

Servidor edge con tres módulos COM-HPC para cargas de trabajo en tiempo real extremo.

Figura 4. La diferencia entre el Intel Xeon D en el Servidor COM-HPC Size E y el Size D radica en el número de posibles zócalos de RAM, que también determina el tamaño de los módulos.

Aceleración de las cargas de trabajo de los servidores edge

Sin embargo, los nuevos módulos servidor COM-HPC de tamaño E y tamaño D con procesadores Intel Xeon D montados en BGA (nombre de referencia Ice Lake D) impresionan no sólo por su compatibilidad con el rango de temperatura ampliado desde -40°C a +85°C. También rompen muchos de los cuellos de botella anteriores causados por las restricciones de los servidores edge y acelerarán significativamente la próxima generación de cargas de trabajo de microservidores en tiempo real en entornos adversos y rangos de temperatura extendidos. Las mejoras incluyen hasta 20 núcleos, hasta 1 TB de memoria en un máximo de 8 zócalos DRAM a 2933MT/sg, hasta 47 carriles PCIe por módulo en total y 32 carriles PCIe Gen 4 con el doble de rendimiento por carril, y hasta 100 GbE de conectividad y soporte TCC/TSN con un consumo energético optimizado gracias a la fabricación en 10nm. Los servidores de almacenamiento y análisis de vídeo también se benefician de la compatibilidad integrada con Intel AVX-512, VNNI y OpenVINO para el análisis de datos basado en IA.

Un hito para los diseños de servidores edge en tiempo real

De hecho, el lanzamiento al mercado de los módulos COM-HPC basados en Ice Lake D marca un triple hito: En primer lugar, porque la compatibilidad con el rango de temperatura ampliado significa que los módulos servidor Intel Xeon D ya no se limitan a las aplicaciones industriales estándar, sino que también se dirigen a entornos exteriores y de automoción. En segundo lugar, los primeros módulos de servidor COM-HPC del mundo aumentan el número de núcleos disponibles a 20 por primera vez; con hasta 8 zócalos de DRAM, esto proporciona un ancho de banda de memoria mucho mayor que el de los módulos servidor basados en otras especificaciones PICMG. En tercer lugar, estos nuevos módulos servidor son capaces de funcionar en tiempo real, tanto en términos de núcleos de procesador como de Ethernet en tiempo real habilitada para TCC/TSN, lo cual es esencial para los proyectos digitalizados de IIoT e Industria 4.0.

Para poder implementar servicios de equilibrio y consolidación de servidores para instalaciones de servidores borde en tiempo real deterministas, en las que diversas aplicaciones en tiempo real operan de forma independiente en un único servidor edge, es útil que las plataformas admitan máquinas virtuales con capacidad de tiempo real, como hace, por ejemplo, el hipervisor RTS de Real-Time Systems. Esto permite a las fábricas de la Industria 4.0 alojar aplicaciones heterogéneas en tiempo real en una única plataforma de servidor edge de sus redes 5G privadas, y asignar recursos de sistema exclusivos a los procesos individuales. Los módulos servidor de congatec están precalificados para este tipo de servicios. Las instalaciones personalizadas con todas las parametrizaciones necesarias pueden incluirse en los servicios estándar que congatec ofrece para los nuevos módulos COM-HPC.

Los módulos impresionan además con un completo conjunto de características de nivel de servidor: Para diseños de misión crítica, ofrecen potentes funciones de seguridad de hardware como Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption – Multi-Tenant (Intel TME-MT) e Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Para obtener las mejores capacidades de RAS, los módulos de procesador integran el motor Intel ME Manageability Engine y admiten funciones de gestión remota de hardware como IPMI y redfish. De hecho, existe otra especificación PICMG que garantiza la interoperabilidad de dichas implementaciones, y el programa de formación de la academia congatec también cubre este aspecto.

Opciones módulo servidor para Intel Xeon D

Los nuevos módulos vendrán como una variante de HCC (High Core Count) y una LCC (Low Core Count) con diferentes tipos de la serie de procesadores Intel Xeon D.

Los módulos servidor conga-HPC/sILH COM-HPC Size E estarán disponibles con 5 procesadores Intel Xeon D 27xx HCC diferentes con una selección de 4 a 20 núcleos, 8 zócalos DIMM para hasta 1 TByte de memoria DDR4 rápida de 2933 MT/sg con ECC, 32x PCIe Gen 4 y 16x PCIe Gen 3, así como un rendimiento de 100 GbE más Ethernet de 2,5 Gbit/sg en tiempo real con soporte TSN y TCC con una potencia base del procesador de 65 a 118 vatios.

Los módulos servidor COM-HPC Size D y COM Express Type 7 vendrán con 5 procesadores Intel Xeon D 17xx LCC diferentes con una selección de 4 a 10 núcleos. Mientras que el módulo servidor conga-B7Xl COM Express soporta hasta 128 GB de RAM DDR4 2666 MT/sg a través de hasta 3 zócalos SODIMM, el módulo conga-HPC/SILL COM-HPC Server Size D ofrece 4 zócalos DIMM para hasta 256 GB de RAM DDR4 rápida de 2933 MT/sg o 128 GB con RAM UDIMM ECC. Ambas familias de módulos ofrecen 16 carriles PCIe Gen 4 y 16 carriles PCIe Gen 3. En cuanto a las redes rápidas, ofrecen un rendimiento de hasta 50 GbE y compatibilidad con TSN/TCC a través de Ethernet de 2,5 Gbit/sg con una potencia base del procesador de 40 a 67 vatios.

Los módulos ya se pueden pedir por adelantado y las muestras de prueba listas para la aplicación -con soluciones de refrigeración robustas que se ajustan al TDP del procesador- están disponibles de inmediato. Las soluciones de refrigeración van desde una potente refrigeración activa con adaptador de tubo de calor hasta soluciones de refrigeración totalmente pasivas para una mayor resistencia mecánica a las vibraciones y los golpes. Estas últimas también alivian el estrés térmico en aplicaciones que deben soportar breves ráfagas de fluctuaciones extremas de temperatura. En cuanto al software, los nuevos módulos vienen con paquetes de soporte de placa completos para Windows, Linux y VxWorks, y tecnología de hipervisor RTS.

Diseños multimódulo basados en COM-HPC

Módulo conga-B7Xl conga-HPC/sILL conga-HPC/sILH
Factor de forma COM Express Type 7 COM-HPC Server Size D COM-HPC Server Size E
Dimensiones 125 mm x 95 mm 160 mm x 160 mm 200 mm x 160 mm
Procesador Intel Ice Lake D (LCC) Intel Ice Lake D (LCC) Intel Ice Lake D (HCC)
Núcleos 4 a 10 4 a 10 4 a 20
RAM Hasta 128 GB DDR4
(up to 4x S0-DIMM)
Hasta 256 GB DDR4
(4x RDIMM/UDIMM)
Hasta 1 TB GB DDR4
(8x RDIMM/UDIMM)
TDP 40-67 W 40-67 W 65-118 W
Interfaces
PCIe 16x PCIe Gen 4

16x PCIe Gen 3

16x PCIe Gen 4

16x PCIe Gen 3

32x PCIe Gen 4

16x PCIe Gen 3

USB 4x USB 3.1 Gen 1

4x USB 2.0

4x USB 3.1 Gen 1

4x USB 2.0

4x USB 3.1 Gen 1

4x USB 2.0

Ethernet 1x 2.5 GbE con TSN

4x 10 GbE (soporte KR)

1x 2.5 GbE con TSN

2x 25, 4x 10, 8x 2.5 GbE (sopore KR o SFI)

1x 2.5 GbE con TSN

1x 100, 2x 50, 4x 25, … GbE (soporte KR o SFI)

SATA 2x SATA II 2x SATA II 2x SATA II

Figura 5. Los módulos COM Express Type 7 y servidor COM-HPC Size D basados en el procesador Intel Xeon D no sólo se diferencian en el tamaño, sino también en el pinout.

nucleos

Figura 6. Hasta 20 núcleos ofrecen una enorme variedad de opciones seguras para una gran variedad de aplicaciones en tiempo real cuando se utiliza la tecnología de virtualización de Real-Time Systems.

Procesador   Núcleos / Hilos   Reloj [GHz]   L2 / L3 Cache [MB]   Potencia de CPU base [W]   Rango de Temperatura
Intel Xeon D-2796TE 20 / 40 2.0 25 / 30 118 -40°C a 85°C
Intel Xeon D-2775TE 16 / 32 2.0 20 / 24 100 -40°C a 85°C
Intel Xeon D-2752TER 12 / 24 1.8 15 / 18 77 -40°C a 85°C
Intel Xeon D-2733NT 8 / 16 2.1 10 / 12 80 0°C a 60°C
Intel Xeon D-2712T 4 / 8 1.9 5 / 6 65 0°C a 60°C

Figura 7. Las configuraciones del procesador Intel Xeon D 27xx HCC de los módulos servidor COM-HPC Size E (200 mm x 160 mm) de congatec

Procesador   Núcleos / Hilos   Frecuencia. [GHz]   L2 / L3 Cache [MB]   Potencia de

CPU base [W]

  Rango de temperatura
Intel Xeon D-1746TER 10 / 20 2.0 12.5 / 15 MB 67 -40°C a 85°C
Intel Xeon D-1732TE 8 / 16 1.9 10 / 12 52 -40°C a 85°C
Intel Xeon D-1735TR 8 / 16 2.2 10 / 12 59 0°C a 60°C
Intel Xeon D-1715TER 4 / 8 2.4 5 / 6 50 -40°C a 85°C
Intel Xeon D-1712TR 4 / 8 2.0 5 / 6 40 0°C a 60°C

Figura 8, Las configuraciones del procesador Intel Xeon D 17xx LCC de los módulos servidor COM-HPC Size D (160 mm x 160 mm) y COM Express Type 7 (95 mm x 120 mm) de congatec