Liberté illimitée pour les serveurs Edge

Processeurs Intel Xeon D dans les modules de serveur COM-HPC

L'intégration des processeurs Intel Xeon D dans les modules serveurs COM-HPC de fabricants tels que congatec permet aux installations de serveurs edge de s'affranchir des fortes contraintes thermiques des salles serveurs climatisées. Pour la première fois, ils peuvent être déployés partout où un débit de données massif est requis avec les latences les plus faibles possibles, jusqu'au temps réel déterministe.

Les serveurs Edge traitent les données à la périphérie des réseaux de communication, plutôt que dans les clouds centraux. Cela permet d'interagir avec des clients de toutes sortes sans délai ou en temps réel, mais cela pose de grands défis aux fabricants de technologies de serveur, de réseau et de stockage.

Jusqu'à présent, ils développaient des solutions de rack standardisées pour leurs systèmes, avec des concepts de ventilation active et une puissante technologie de climatisation pour contrôler la gestion thermique des racks et la climatisation de la salle des serveurs. Cependant, cette approche n'est souvent plus adaptée à la technologie de serveur de pointe d'aujourd'hui.

L'American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, ou ASHRAE en abrégé, a étudié en profondeur la question de savoir comment installer au mieux les performances des serveurs de périphérie dans des environnements difficiles. Ainsi, du point de vue des partenaires HVAC, il existe déjà des recommandations tout à fait plausibles sur la façon de concevoir des centres de données edge avec un HVAC performant et la meilleure isolation possible pour les protéger de la chaleur et du vent froid.

Libérer les serveurs périphériques des chaînes du CVC

Cependant, l'ASHRAE propose une fluctuation de température maximale autorisée de 20 °C en une heure et de 5 °C maximum en 15 minutes pour les centres de données en périphérie. Cela nécessite une technologie de climatisation complexe et est donc très difficile à appliquer. Mais pas seulement cela; Il est presque impossible de respecter ces directives, en particulier lors des travaux de maintenance sur les centres de données périphériques qui sont plus petits qu'une cabine téléphonique, car ces solutions doivent être ouvertes pour la maintenance à n'importe quelle température ambiante. Il n'est tout simplement pas possible d'entrer par effraction dans ces systèmes via une chambre HVAC et de refermer rapidement la porte avant d'entretenir la salle de serveurs périphérique entièrement climatisée.

Les serveurs Edge et les centres de données fonctionnant dans des environnements difficiles nécessitent donc des conceptions de système capables de gérer des fluctuations de température plus importantes et une plage de température beaucoup plus large que les 0 à 40 °C typiques en informatique. Dans les environnements industriels, les conceptions de systèmes embarqués peuvent être exposées à des températures ambiantes allant d'un arctique de -40°C à un brûlant +85°C. Ce qui signifie que chaque composant doit être renforcé.

Des conceptions robustes réduisent les coûts de refroidissement

Le point le plus critique dans la conception des serveurs de périphérie, des réseaux et des technologies de stockage est le choix de la technologie de processeur. La décision qui va et vient avec ce choix est de suivre ou non les recommandations de l'ASHRAE et d'investir massivement dans la technologie CVC et d'isolation, ce qui entraîne des coûts d'investissement et d'exploitation élevés pour l'énergie secondaire. Ou s'il faut développer des systèmes qui n'ont besoin de rien de tout cela car ils fonctionnent de manière fiable même à des températures extrêmes et peuvent donc être déployés dans des environnements difficiles à moindre coût : des sites d'usine aux communications extérieures, en passant par la vidéosurveillance et d'autres équipements d'infrastructure critiques. via des serveurs dans des systèmes mobiles allant des trains et des avions aux navettes autonomes dans les villes intelligentes.

Grâce aux nouveaux processeurs Intel Xeon D, il existe désormais une technologie de serveur très puissante, qualifiée pour une utilisation dans des plages de températures extrêmes, de -40°C à +85°C. Même les conceptions de serveurs ultra-hautes performances ne sont plus limitées par les restrictions thermiques strictes des salles de serveurs climatisées. En fin de compte, ils peuvent être déployés partout où un débit de données massif et sans latence est requis à la périphérie de l'Internet des objets et dans les usines de l'Industrie 4.0.

Cependant, un processeur de serveur seul ne rend pas un serveur Edge robuste. Répondre aux exigences de la conception de systèmes pour des environnements difficiles nécessite également des connaissances techniques approfondies. Chaque composant utilisé doit être qualifié pour cet environnement, et des exigences particulières s'appliquent également à la conception des circuits imprimés et des cartes. Certains exemples sont des revêtements spéciaux qui protègent contre l'eau de condensation et d'autres influences environnementales, ou un haut niveau de protection contre les signaux haute fréquence et électromagnétiques étrangers qui pourraient entraver les performances de l'appareil.

Figure 2. L'approche modulaire serveur sur module facilite le développement de serveurs de périphérie dédiés avec des conceptions d'interface spécifiques à l'application à l'aide de cartes de support conçues sur mesure.

Les développeurs de technologies de systèmes embarqués, tels que congatec, ont des décennies d'expérience dans la conception de tels systèmes. Ils intègrent depuis longtemps des technologies PC standard, telles que les processeurs Intel Core, dans des systèmes embarqués d'une manière adaptée à une utilisation industrielle. Ils connaissent bien les exigences et les normes de certification d'un large éventail d'industries et sont habitués à concevoir leurs systèmes pour qu'ils soient disponibles à long terme, afin de répondre aux exigences de l'industrie et de pouvoir fournir des solutions OEM avec des configurations de plaques identiques. pendant 7, 10 ou 15 ans. Ils savent également que les applications industrielles diffèrent considérablement des conceptions de systèmes standard pour l'environnement de bureau, car les applications industrielles nécessitent toujours un degré de personnalisation plus ou moins important, ce qui fait des conceptions modulaires qui implémentent des modules COM le moyen idéal pour développer des plaques. Ils ont également appris que la normalisation est essentielle, c'est pourquoi ils ont contribué à créer des normes mondialement reconnues pour ce type de module.

Atteignez la ligne d'arrivée plus rapidement grâce aux normes

Avec la nouvelle spécification de serveur COM-HPC et la sortie des processeurs Intel Xeon D, cette expertise combinée a maintenant été transférée aux conceptions de serveurs industriels de pointe. Pour la première fois, les développeurs ont accès à de vrais produits. L'avantage de ces nouveaux modules serveur standardisés COM-HPC est que les développeurs peuvent les intégrer dans leurs cartes porteuses personnalisées en tant que logique informatique embarquée prête pour l'application. Cela signifie qu'ils n'ont pas à se soucier des bases de la technologie des processeurs, mais doivent uniquement s'occuper du positionnement spécifique à l'application des composants sur la carte et exécuter les interfaces au bon endroit sur la carte porteuse. À cette fin, le comité de normalisation PICMG a récemment publié le COM-HPC Carrier Design Guide. Il fournit des directives essentielles pour la création de plates-formes informatiques embarquées spécifiques au client, interopérables et évolutives basées sur la nouvelle norme, et permet également aux développeurs de comprendre plus facilement la logique qui sous-tend la norme.

La connaissance est le pouvoir

Pour permettre aux développeurs de s'immerger rapidement, facilement et efficacement dans les nouvelles normes de conception, congatec a ouvert une académie de formation en ligne et en face à face pour les conceptions de clients et de serveurs COM-HPC. Ici, les développeurs peuvent obtenir une introduction dirigée par des experts au nouveau monde des conceptions de systèmes embarqués et de pointe haut de gamme basés sur la nouvelle norme COM (Computer-on-Module). Le programme de formation couvre toutes les bases de conception requises et recommandées, ainsi que des conseils sur les meilleures pratiques pour la conception de cartes porteuses et d'accessoires COM-HPC, tels que des solutions de refroidissement sans ventilateur haut de gamme pour les conceptions de serveurs jusqu'à 100 watts ou plus. Les cartes porteuses d'évaluation de module serveur COM-HPC servent de plate-forme de référence pour apprendre à mettre en œuvre les processeurs Intel Xeon D. Elles tirent parti de l'ensemble complet des fonctionnalités de la norme et les développeurs peuvent les utiliser comme plates-formes pour le développement d'applications ultérieures.

L'académie congatec vise à former les développeurs à toutes les bases de la conception COM-HPC, des principes de la couche PCB, des règles de gestion de l'alimentation et des exigences d'intégrité du signal à la sélection des composants. Les sessions avec un accent particulier sur les interfaces de communication fournissent des conseils pour éviter les pièges dans la conception difficile des communications série à haut débit : de PCIe Gen 4 et 5 à USB 3.2 Gen 2 et USB 4 avec Thunderbolt sur USB-C jusqu'à 100 Gigabit Ethernet , et incluant également la gestion des signaux de bande latérale pour les interfaces Ethernet 10G / 25G / 40G / 100G KR, qui dans COM-HPC doivent être désérialisées sur la carte porteuse. Au cours de ces sessions, il est également expliqué comment les meilleures pratiques de conception utilisent les normes d'interface telles que eSPI, I²C et GPIO.

Figure 3. Les conceptions standard de carte mère/carte mère ne prennent généralement en charge que les interfaces embarquées standard qui s'exécutent à l'arrière de la carte (E/S arrière). Comme cela ne tient pas compte des exigences industrielles, leur adéquation en tant que serveurs de périphérie pour l'Internet des objets est limitée. Et, en règle générale, ils ne sont pas conçus pour la large plage de température de -40°C à +85°C et ne garantissent pas non plus une disponibilité à long terme de 7 à 15 ans. Cependant, avec les modules de serveur, il est possible d'utiliser la mécanique de ces facteurs de forme et de concevoir une carte porteuse qui exécute les interfaces souhaitées là où elles sont nécessaires.

Une introduction à la mise en œuvre du micrologiciel x86, couvrant tout, du BIOS intégré aux fonctions du contrôleur de gestion de carte et du contrôleur de gestion de module, complète la formation en conception. Et enfin et surtout, il y a des sessions sur les stratégies de test et de vérification qui abordent tous les défis, de la vérification initiale de la conception de la carte mère aux tests de production de masse. Avec un programme de formation aussi complet, l'académie congatec vise à rendre la conception d'une technologie de serveur Edge robuste aussi simple que possible. Inutile de dire que la société peut également fournir aux clients OEM intéressés des conceptions de système complètes qui tirent parti de ses nouveaux modules de serveur COM-HPC et de son vaste réseau de partenaires.

Conception de référence pour le clustering d'IA d'apprentissage automatique

Les conceptions de serveurs de périphérie COM-HPC ne se limitent pas à des concepts de module unique. La norme prend également explicitement en charge le support multi-modules avec des configurations hétérogènes de modules COM-HPC intégrant, par exemple, des accélérateurs FPGA ou GPGPU. Une combinaison de modules serveur COM-HPC et client COM-HPC sur une même carte est également possible. Par exemple, congatec travaille actuellement avec l'Université de Bielefeld et Christmann IT sur une conception de serveur Edge qui combine différents modules COM-HPC sur une carte mère pour traiter des charges de travail extrêmes en temps réel dans une conception multi-système pour le clustering IA. données de grande dimension (cartes auto-organisatrices).

Serveur Edge avec trois modules COM-HPC pour les charges de travail extrêmes en temps réel.

Figure 4. La différence entre Intel Xeon D dans COM-HPC Server Size E et Size D réside dans le nombre de sockets RAM possibles, qui détermine également la taille des modules.

Accélération des charges de travail des serveurs Edge

Cependant, les nouveaux modules de serveur COM-HPC de taille E et de taille D avec processeurs Intel Xeon D montés sur BGA (nom de référence Ice Lake D) impressionnent non seulement par leur compatibilité avec la plage de température étendue de -40°C à +85 °C. Ils brisent également de nombreux goulots d'étranglement causés par les contraintes des serveurs de périphérie et accéléreront considérablement la prochaine génération de charges de travail de microserveurs en temps réel dans des environnements difficiles et des plages de températures étendues. Les améliorations incluent jusqu'à 20 cœurs, jusqu'à 1 To de mémoire dans jusqu'à 8 sockets DRAM à 2933 MT/sg, jusqu'à 47 voies PCIe au total par module et 32 ​​voies PCIe Gen 4 avec deux fois plus de performances par voie, et jusqu'à 100 GbE de connectivité et Prise en charge TCC/TSN avec une consommation d'énergie optimisée grâce à la fabrication en 10 nm. L'analyse vidéo et les serveurs de stockage bénéficient également de la prise en charge intégrée d'Intel AVX-512, VNNI et OpenVINO pour l'analyse de données basée sur l'IA.

Une étape importante pour les conceptions de serveurs Edge en temps réel

En fait, le lancement sur le marché des modules COM-HPC basés sur Ice Lake D marque une triple étape : premièrement, parce que la prise en charge d'une plage de température étendue signifie que les modules de serveur Intel Xeon D ne sont plus limités aux applications industrielles standard, mais sont également destinés aux applications extérieures et environnements automobiles. Deuxièmement, les premiers modules de serveur COM-HPC au monde augmentent le nombre de cœurs disponibles à 20 pour la première fois ; Avec jusqu'à 8 sockets DRAM, cela fournit une bande passante mémoire beaucoup plus élevée que les modules de serveur basés sur d'autres spécifications PICMG. Troisièmement, ces nouveaux modules de serveur sont capables de fonctionner en temps réel, à la fois en termes de cœurs de processeur et d'Ethernet en temps réel compatible TCC/TSN, ce qui est essentiel pour les projets IIoT et Industrie 4.0 numérisés.

Afin de mettre en œuvre des services d'équilibrage et de consolidation de serveurs pour les déploiements déterministes de serveurs de périphérie en temps réel, où plusieurs applications en temps réel fonctionnent indépendamment sur un seul serveur de périphérie, il est utile que les plates-formes prennent en charge les machines virtuelles capables de gérer le temps réel, comme le fait, par exemple, l'hyperviseur RTS de Real-Time Systems. Cela permet aux usines de l'industrie 4.0 d'héberger des applications en temps réel hétérogènes sur une plate-forme de serveur périphérique unique de leurs réseaux 5G privés et d'allouer des ressources système dédiées à des processus individuels. Les modules serveurs de congatec sont pré-qualifiés pour ce type de service. Des installations personnalisées avec tous les paramétrages nécessaires peuvent être incluses dans les services standard que congatec propose pour les nouveaux modules COM-HPC.

Les modules impressionnent en outre par un ensemble complet de fonctionnalités de niveau serveur : pour les conceptions critiques, ils offrent de puissantes fonctionnalités de sécurité matérielle telles qu'Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption - Multi-Tenant (Intel TME-MT) et Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Pour les meilleures capacités RAS, les modules de processeur intègrent le moteur Intel ME Manageability et prennent en charge les fonctionnalités de gestion matérielle à distance telles que IPMI et redfish. En fait, il existe une autre spécification PICMG qui garantit l'interopérabilité de telles implémentations, et le programme de formation de la congatec academy couvre également cet aspect.

Options de module serveur pour Intel Xeon D

Les nouveaux modules se présenteront sous la forme de variantes HCC (High Core Count) et LCC (Low Core Count) avec différents types de processeurs de la série Intel Xeon D.

Les modules serveur conga-HPC/sILH COM-HPC taille E seront disponibles avec 5 processeurs Intel Xeon D 27xx HCC différents avec un choix de 4 à 20 cœurs, 8 sockets DIMM pour jusqu'à 1 To de mémoire DDR4 rapide de 2933 MT/sg avec ECC, 32x PCIe Gen 4 et 16x PCIe Gen 3, ainsi que des performances de 100 GbE plus Ethernet 2,5 Gbit/s en temps réel avec prise en charge TSN et TCC avec une puissance de processeur de base de 65 à 118 watts.

Les modules serveur COM-HPC Taille D et COM Express Type 7 seront livrés avec 5 processeurs Intel Xeon D 17xx LCC différents avec un choix de 4 à 10 cœurs. Alors que le module serveur conga-B7Xl COM Express prend en charge jusqu'à 128 Go de RAM DDR4 2666 MT/sg via jusqu'à 3 sockets SODIMM, le module conga-HPC/SILL COM-HPC Server Size D offre 4 sockets DIMM pour jusqu'à 256 Go de RAM DDR4 rapide de 2933 MT/s ou 128 Go avec RAM UDIMM ECC. Les deux familles de modules offrent 16 voies PCIe Gen 4 et 16 voies PCIe Gen 3. Pour une mise en réseau rapide, ils offrent un débit allant jusqu'à 50 GbE et une prise en charge TSN/TCC sur Ethernet 2,5 Gbit/sg avec une puissance de base du processeur de 40 à 67 watts .

Les modules peuvent déjà être commandés à l'avance et des échantillons de test prêts à l'emploi - avec des solutions de refroidissement robustes qui correspondent au TDP du processeur - sont immédiatement disponibles. Les solutions de refroidissement vont du puissant refroidissement actif avec adaptateur de caloduc aux solutions de refroidissement entièrement passives pour une plus grande résistance mécanique aux vibrations et aux chocs. Ces derniers atténuent également les contraintes thermiques dans les applications qui doivent résister à de courtes périodes de fluctuations extrêmes de température. Du point de vue logiciel, les nouveaux modules sont livrés avec des packages de support de carte complets pour Windows, Linux et VxWorks, et la technologie d'hyperviseur RTS.

Conceptions multimodules basées sur COM-HPC

module	conga-B7Xl	conga-HPC/sILL	conga-HPC/sILH
Facteur de forme	COM Express Type 7	Serveur COM-HPC Taille D	Serveur COM-HPC Taille E
Dimensions maximales	125 mm x 95 mm	160 mm x 160 mm	200 mm x 160 mm
Processeur	Intel Ice Lake D (LCC)	Intel Ice Lake D (LCC)	Intel Ice Lake D (HCC)
Noyaux	4 10 à	4 10 à	4 20 à
RAM	Jusqu'à 128 Go de DDR4 (jusqu'à 4 modules S0-DIMM)	Jusqu'à 256 Go de DDR4 (4x RDIMM/UDIMM)	Jusqu'à 1 To de DDR4 (8x RDIMM/UDIMM)
TDP	40-67 W	40-67 W	65-118 W
Interfaces
PCIe	16x PCIe de 4e génération 16x PCIe de 3e génération	16x PCIe de 4e génération 16x PCIe de 3e génération	32x PCIe de 4e génération 16x PCIe de 3e génération
USB	4 ports USB 3.1 Gen 1 4x USB 2.0	4 ports USB 3.1 Gen 1 4x USB 2.0	4 ports USB 3.1 Gen 1 4x USB 2.0
Ethernet	1x 2.5 GbE avec TSN 4x 10GbE (prise en charge KR)	1x 2.5 GbE avec TSN 2x 25, 4x 10, 8x 2.5 GbE (prend en charge KR ou SFI)	1x 2.5 GbE avec TSN 1x 100, 2x 50, 4x 25, … GbE (prise en charge KR ou SFI)
SATA	2x SATAII	2x SATAII	2x SATAII

Figure 5. Les modules serveur COM Express Type 7 et COM-HPC taille D basés sur le processeur Intel Xeon D diffèrent non seulement par leur taille, mais également par leur brochage.

Figure 6. Jusqu'à 20 cœurs offrent une grande variété d'options sécurisées pour une grande variété d'applications en temps réel lors de l'utilisation de la technologie de virtualisation Real-Time Systems.

Figure 7. Les configurations de processeur Intel Xeon D 27xx HCC des modules de serveur congatec COM-HPC taille E (200 mm x 160 mm)

Figure 8, les configurations de processeur Intel Xeon D 17xx LCC des modules de serveur congatec COM-HPC Taille D (160 mm x 160 mm) et COM Express Type 7 (95 mm x 120 mm)