Industrieserver Das Rechenzentrum in der Box

Serverperformance wird nicht nur im Rechenzentrum sondern zunehmend auch im rauen industriellen Umfeld benötigt. Mit Industrieservern in Box-PC-Größe auf der Basis von COM-Express-Typ-7-Modulen können diese Performanceansprüche besonders kosteneffizient umgesetzt werden.

Die Ansprüche an Downstream-Performance von SaaS- und Streamingdiensten – mit beispielsweise nunmehr 4k-Angeboten in HDR – steigen konstant. Auch die Upstream-Workloads steigen durch IoT-Applikationen mit Sprachsteuerung wie Alexa, Siri und Cortana oder Zigtausenden Vision-Sensoren immens. Zur besseren Ausbalancierung dieses Datenverkehrs entstehen zunehmend mehr Edge- und Fog-Serverfarmen, die auch Cloudlets im Telekomsektor oder industrielle Clouds genannt werden. Solche dezentralen Rechenzentren, die nicht nur von Carriern sondern auch von industriellen Anbietern sowie kommerziellen Anbietern – wie Amazon oder Microsoft – betrieben werden, haben in einem ersten Schritt eine bessere Netzlastverteilung zur Sicherstellung der jeweiligen Quality of Service und geringen Latenzen ermöglicht. 

Dieser Trend hin zur Dezentralisierung der Netzwerkperformance befeuert in industriellen Applikationen nicht nur den vertikalen Austausch, sondern auch die Industrie-4.0-Kommunikation zwischen Maschinen und Anlagen. Hierzu verlagert sich die Rechenzentrumsleistung auf den Shop-Floor – also direkt dorthin, wo produziert wird: an die Maschine. Die Vorteile liegen auf der Hand. Kurze Leitungswege, minimale Latenzen, keine externen Rechenzentren und weniger Angriffsvektoren bei gleichzeitiger Hochverfügbarkeit und Leistung. 

Raus aus dem Rack, rein ins Feld 

Für solche Applikationen sind jedoch keine ausgewachsenen 19-Zoll-Rackserver, sondern deutlich kleinere und robustere Lösungen gefordert. Die Systemdesigns sollen nämlich einfach im Schaltschrank Platz finden, um Maschinen und Anlagen ans Industrie-4.0-Netz anbinden zu können und die notwendige Bandbreite bereitzustellen, die zur horizontalen und vertikalen Kommunikation erforderlich ist. 

Einen sehr komfortablen Building-Block zur Entwicklung solcher Lösungen stellen Module nach dem neuen COM-Express-Type-7-Standard dar. Diese neuen Server-on-Modules wurden speziell für robuste Industrieserver entwickelt und unterscheiden sich von bisherigen Computer-on-Modules dadurch, dass ihr Featureset auf Servertechnologie ausgelegt ist.

Es geht also um die Vernetzung der Server mit 10-GbE-Performance sowie die schnelle Anbindung von Speicher und weiteren Schnittstellen über möglichst viele PCIe-Leitungen. Ansonsten bieten die neuen Server-on-Modules alles, was standardisierte Computer-on-Modules bislang für geräteorientierte Embedded-Computer-Technologie auszeichnet: Sie sind als applikationsfertige Lösung mit voller Unterstützung für alle relevanten Betriebssysteme und Treiber erhältlich. 

Kosteneffiziente Systemdesigns 

Über das Träger-Board werden nur noch die dedizierten Interfaces ausgeführt – und zwar genau dort, wo sie benötigt werden. Umfassende Design-Guides sowie häufig auch kostenlose Schaltpläne unterstützen Entwickler bei der Auslegung ihrer Designs. Gegenüber der kompletten Entwicklung eines neuen Boards inklusive CPU, RAM und der PCIe-Leitungen spart das drastisch Entwicklungszeit und -kosten. Kostenvorteile ergeben sich zudem durch die hohe Investitionssicherheit aufgrund der Skalierbarkeit, was auch ein maximales Payback der NRE-Kosten über Dekaden hinweg ermöglicht. Das ist insbesondere in Hochleistungsanwendungen von großer Bedeutung, wo die Systeme stets mit der ständig steigenden Leistungsfähigkeit neuester Prozessoren mitwachsen sollen. Bei Modulen reicht ein einfacher Tausch des Server-on-Modules. 

Selbst Änderungen bei den Speicherschnittstellen oder dem Grid-Array der CPU erfordern keinerlei Anpassung des restlichen Designs. Zusätzlich sorgt die umfangreiche Community durch Wettbewerb für günstige Preise. Auch existiert ein reichhaltiges Ökosystem an fertigen Zubehörkomponenten. Die PICMG als unabhängiges Standardisierungsgremium für COM-Express kümmert sich zudem um die herstellerunabhängige Weiterentwicklung des Standards. 

10-GbE-Module mit Xeon-CPUs 

Die ersten Prozessoren, die auf den COM-Express Type 7 verbaut werden, bieten eine hohe Parallelität und Rechenleistung/W. Die vergleichsweise geringe Leistungsaufnahme prädestiniert sie damit auch für Applikationen, die am Edge der Carrier-Netze und im raueren industriellen Umfeld installiert werden. Auf COM-Express-Modulen von Herstellern wie congatec verfügbar sind aktuell zwei Prozessorklassen: Die Intel-Xeon-Prozessoren der D-Familie sowie die neuen Intel-Atom-C3000 Prozessoren. 

Die conga-B7XD-Module mit Intel Xeon-Prozessoren bieten eine hohe parallele Rechenleistung mit bis zu 16 Kernen und 32 Threads sowie Hardware-Virtualisierung bei höchstens 45 W TDP. Diese Module gibt es mit sechs unterschiedlichen Intel-Xeon-Prozessoren vom Quadcore-Prozessor D1529 bis zum 16-Core-D1577 für den industriellen Temperaturbereich (-40 °C bis +85 °C). Zudem bieten sie bis zu 48 GB DDR4-ECC-RAM, 32 PCIe-Leitungen sowie erstmals bei SoCs auch native 10-Gbit-Ethernet-Unterstützung.

Die neuen conga-B7AC-Module mit Intel-Atom-C3000-Prozessoren (Codename Denverton), die in Kürze bei congatec in Serienproduktion verfügbar sind, runden die aktuell verfügbare COM Express Type-7-Lösungen nach unten hin ab. Sie bieten bis zu vier native 10 GbE-Schnittstellen und dazu 12 PCI-Express-Gen.3-Leitungen sowie 8 × PCI-Express Gen.2, wobei die Leistungsaufnahme bei 11 W startet. 

Serverdesigns in mehreren Varianten 

Server-on-Modules eröffnen mit diesen Leistungswerten eine neue Performance-Klasse, mit der es möglich wird, Rechenzentrums-Performance im Box-PC-Format umzusetzen. Hierbei sind mehrere Lösungswege denkbar. 

Zum einen sind Systemdesigns mit COM-Express-Type-7-Modulen denkbar, die sich der Standard-IT-Welt bedienen und Formfaktoren wie beispielsweise Flex-ATX nutzen, um bestehendes Equipment aus diesem Umfeld einsetzen zu können. Hier sind vor allem Systemgehäuse und Netzteile zu nennen, die sich aus dem ATX-Standard ableiten.

Ein solches Design könnte bei 229 mm ×  191 mm × 46 mm Abmessungen bis zu 6 × SFP+ für 6 × 10-GBit-Ethernet unterstützen für die 1:1-Kommunikation mit bis zu 6 weiteren Industrieservern sowie 2 × 1000/100/10 MBit-Ethernet zur Anbindung der Prozessebene der Host-Maschine oder -Anlage. 3 × USB 3.0, und 1 × RS232 stehen für allgemeine Peripherie sowie Feldbusanschluss zur Verfügung und 2 × M.2-M-Key-Slots würden besonders platzsparenden Flash-Speicher integrieren, der bereits in TB-Speicherkapazität zur Verfügung steht.

Noch deutlich kleiner geht es mit den Abmaßen des COM-Express-Type-7-Basic-Formfaktors. Ein solches Design könnte eine extrem kompakte Box ergeben, die bei Abmessungen von nur 125 mm × 90 mm × 58 mm bis zu 4 × SFP+ für 4 × 10-Bit-Ethernet sowie 2 × 1000/100/10 MBit-Ethernet, 2 × USB 3.0, 1 × M.2-M-Key-Slot und 1 × mini-PCIe-Slot beherbergen. Gäbe es zweilagige Raiser für M.2-Module und das Thermaldesign würde dies zulassen, so wären selbst ausfallsichere RAID-Konfigurationen auf diesem kleinen Formfaktor denkbar.

Schnell ins Feld 

iesy hat im Rahmen von Kundenprojekten bereits potenzielle Lösungen im Rahmen des Requirement-Engineerings präsentiert und arbeitet derzeit an der Umsetzung von konkreten kundenspezifischen Lösungen. Diese können für weitere Kunden selbstverständlich auf ihren Bedarf hin adaptiert werden, um möglichst wenig NRE-Kosten zu produzieren und schnell zur Marktreife zu gelangen. Die technologischen Grundlagen hierzu sind also bereits geschaffen. Serienreife Lösungen von iesy werden voraussichtlich im ersten Halbjahr 2018 verfügbar sein. 

Wer schon heute seine »Data-Center-in-a-Box-Applikationen« validieren will, kann dafür zudem das Schnellstarter-Set mit dem conga-T7Eval-Träger-Board von congatec nutzen. Es unterstützt neben den zahlreichen dedizierten Schnittstellen der Spezifikation für COM-Express-Typ-7 auch Virtualisierungstechnologien. Beispielswei-se können applikationsfertige Server-on-Module-Konfigurationen mit Hypervisor-Implementierung von Echtzeitsystemen zur Verfügung gestellt werden. Die Implementierung weiterer Virtualisierungstechnologien ist jederzeit auf Anfrage möglich.

Die COM-Express-Type-7-Carrierboard-Funktion umfasst zudem ein NC-SI-Sideband-Schnittstelle, damit wird ein Baseboard-Management-Controller (BMC) – zum Beispiel Aspend ASP2500 – angebunden werden kann, um Out-of-Band-Management zu ermöglichen.

Über shop.iesy.com können schon jetzt COM-Express-Type-7-Module, Zubehör und Starterkits schnell und einfach bestellt werden.