Mit COM-HPC Server-on-Modules

5G-Zellen für die Echtzeitkommunikation

20. Juni 2022, 10:30 Uhr | Von Zeljko Loncaric
5G Server-on-Modules
© Congatec

5G-Zellen mit integrierten Edge-Servern sind eine Schlüsseltechnik für die digitale Transformation. Sie müssen jedoch für das latenzarme Verarbeiten von Daten in Echtzeit für raue Umgebungen ausgelegt sein. Hierfür bringt Congatec Server-on-Modules nach dem COM-HPC-Standard in die Industrie.

Die digitale Transformation in der industriellen Produktion benötigt schnelle und echtzeitfähige Netze. Man kann jedoch nicht überall ein Kabel verlegen. Daher ist der echtzeitfähige 5G-Standard eine echte Revolution für die industrielle Kommunikation: Hiermit lässt sich ein zuverlässiges, flexibles Verteilen und Verarbeiten riesiger Datenmengen in Echtzeit realisieren. Und das kabellos und vor allem über weitere Strecken als mit WLAN. Zudem ist das Netz universell von stationären und mobilen Geräten nutzbar, was vollständig vernetzte Fabriken ermöglicht. 5G kann hierzu eine große Dichte vernetzter Geräte verwalten und bietet kurze Reaktions- und Latenzzeiten im Millisekundenbereich. Außerdem eröffnet 5G mit Netzwerk-Slicing die Möglichkeit, virtuelle, voneinander unabhängige Netzwerke zu schaffen. Sie sind logisch über ein einziges physisches Netzwerk getrennt. Schlussendlich bietet 5G außerdem die Basis für Cloud-native Architekturen, die über 5G-basiertes Edge-Computing zu echtzeitfähigen Fog-Servern werden. Sie können kabellos mit Geräten aller Art kommunizieren.

Private 5G-Infrastrukturen für kritische Applikationen

Mit dem Bereitstellen des Frequenzbereichs von 3,7 bis 3,8 GHz für private Mobilfunknetze lassen sich mit 5G unterschiedliche Campusnetze im Bereich Industrie 4.0 sowie für kritische Infrastrukturen in vielen weiteren Branchen nutzen und privat betreiben. Zudem bieten die Skalierbarkeit einer eigenen Infrastruktur sowie die Kompatibilität der bisherigen Mobilfunkgenerationen – die man ebenso für die Zukunft erwarten darf – eine hohe Investitionssicherheit. Immer mehr Unternehmen setzen für ihre geschäftskritischen Applikationen und die digitale Transformation ihrer Produktion deshalb auf den On-Premises-Aufbau eigener privater 5G-Netze – ein Trend, der sich in den kommenden Jahren laut einer aktuellen Studie von MarketsandMarkets weiter verstärkt.

Unternehmen können zwar das öffentliche Netz nutzen. Liegt ein Unternehmen jedoch im ländlichen Bereich und nutzt die öffentliche Basisstation (auch: Makrozelle), also das 700 MHz-Band, um Reichweiten von 15 bis 20 km zu realisieren, so ist die Datenrate auf 100 bis 200 Megabit pro Sekunde (Mbit/s) beschränkt. Große Automobilwerke könnten so zwar das komplette Werksgelände mit lediglich einer solchen 5G-Zelle versorgen, die verfügbare Bandbreite reicht für eine komplett vernetzte Fabrik jedoch nicht aus. Bei VW am Mittellandkanal in Wolfsburg sprechen wir beispielsweise immerhin von einer Gesamtfläche von mehr als sechs Quadratkilometern.

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5G-connected-Devices
Bild 1. Industrielle 5G-Zellen können sehr unterschiedliche Aufgaben haben. Skalierbare Server-on-Modules unterstützen 5G-Netzwerk- und Edge-Computing-Performance.
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Es ist vielmehr die gesamte Bandbreite der 5G-Datendurchsatzkapazität erforderlich, weshalb Unternehmen eigene Campusnetzwerke aufbauen wollen. Die Frequenzbereich von 3,7 bis 3,8 GHz lässt einen maximalen Upstream von rund 100 bis 200 Mbit/s zu und Downloads von rund 200 bis 1000 Mbit/s. Jedoch ist die Zellenreichweite auf rund 300 m bis 3 km bei direkter Sicht beschränkt. Aus diesem Grund ist eine höhere Anzahl an Funkzellen im Werk erforderlich. Sie werden beispielsweise »Small Cells« oder »Femtocells« genannt, können jedoch ebenfalls entsprechend klein und kompakt ausgelegt werden. So haben Small Cells in etwa die Größe eines Pizzakartons. Femtocells sind noch kleiner und haben – ohne integrierte Edge-Server-Technik – in etwa Taschenbuchgröße und sind sogar von Privatpersonen zu erwerben.

Robuste 5G Edge-Servertechnik

Die Edge-Server-Infrastruktur hinter den Zellen ist bei solchen Installationen idealerweise direkt in beziehungsweise an der Basisstation oder Radio-Access-Network(RAN)-Infrastruktur der 5G-Mikrozellen bereitzustellen, am besten über Virtual Network Function (VNF) Deployments. Hierbei sind ebenfalls weitere Einsatzszenarien an anderen Stellen der Infrastruktur, zum Beispiel in Mikrorechenzentren möglich, solange die Latenzanforderungen erfüllt sind. Der Vorteil einer gemeinsam genutzten Hardwareplattform besteht darin, dass sowohl die Cloud/Edge-Serverfunktion als auch die Network Function Virtualization (NFV) gemeinsam in der Zentraleinheit (Centralized Unit, CU) bereitgestellt werden können.

5G-Zellen
Bild 2. Unterstützen 5G-Zellen TSN, können sie Echtzeitapplikationen hosten.
© Congatec

Zu integrieren in solche Zellen ist zum einen die Hardware. Sie ist für das Erzeugen und Verarbeiten der 5G-Signale erforderlich und bildet somit die physikalische Schnittstelle zwischen dem 5G-Funknetz und dem digitalem Basisband. Außerdem zu integrieren ist die für die jeweiligen Edge-Server-Funktionen benötigte Server-Performance. Weil diese von Applikation zu Applikation unterschiedlich sein kann, empfiehlt sich ein modularer Aufbau mittels einem Server-on-Modules-Konzept. Hierbei lassen sich die applikationsspezifischen Funktionen auf dem Trägerboard lösen – inklusive 5G-Funklogik beispielsweise über entsprechende Erweiterungsmodule. Mit Server-on-Modules auf Basis des neuen Standards COM-HPC der PICMG (PCI Computer Manufacturers Group) und den auf ihnen verfügbaren Intel-Xeon-D-Prozessoren steht Entwicklern ab sofort eine neue Performance-Klasse für raues Umfeld bereit. Sie lassen sich im erweiterten Temperaturbereich von -40 bis +85 °C betreiben und sind einerseits langzeitverfügbar und andererseits für raues Umfeld ausgelegt. Hierbei ist vor allem die Robustheit gegen elektromagnetische Interferenzen sowie Schocks und Vibrationen zu erwähnen.
Die nötige Leistung gewährleisten

  • bis zu 20 Kerne
  • bis zu 1 TB Arbeitsspeicher auf bis zu 8 DRAM-Sockeln bei 2933 Megatransfers pro Sekunde (MT/s)
  • bis zu 47 PCIe Lanes vom Modul insgesamt und 32 PCIe Gen 4 Lanes mit doppeltem Durchsatz pro Lane
  • bis zu 100-GbE-Konnektivität
  • Support von Time Coordinated Computing (TCC) und Time Sensitive Networking (TSN)

Zukünftig steigt die Performance mit neuen Modulen deutlich. Die heute bereits verfügbare Performance reicht jedoch für aktuell im Angebot befindliche Campusnetze vollkommen aus. Hierbei nutzen Applikationen auf Basis von Open-RAN für den »Backhaul Packet Core Server« sowie die »Midhaul Central Unit/Distributed Unit Server« insgesamt fünf Serverprozessoren. Sie erfordern jedoch eine Rack-Klimatisierung und sind nicht im erweiterten Temperaturbereich einsetzbar. Konsolidiert man jedoch die Funktionen in eine einzige Mikrozelle, ist es denkbar, weniger performante, aber echtzeitfähige kleine 5G-Zellen auf lediglich zwei virtuellen Modulen umzusetzen.

Kundenspezifische Carrier Boards
Bild 3. Kundenspezifische Carrier Boards für 5G-Zellen kann man beispielsweise für Laternenmaste auslegen.
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Echtzeit mit Cloud-Virtualisierung

Für den voneinander unabhängigen Betrieb unterschiedlicher Echtzeitapplikationen auf einem Edge-Server sind zudem Server-Balancing- und Server-Consolidation-Services nötig. Sie sind außerdem für das plattformseitige Unterstützen echtzeitfähiger virtueller Maschinen erforderlich. Sie stellen die Server-Funktion für die Kommunikation der 5G-Clients als Teilnehmer bereit. Zum Einsatz kommen kann hierfür beispielsweise der Echtzeit-Hypervisor von Real-Time Systems. Mit einer derartigen Virtualisierung können Unternehmen ihre privaten 5G-Netze mittels Network Slicing für Echtzeitapplikationen nutzen, die auf lediglich einer einzigen Serverpattform gehostet werden. So können sie einzelnen Tasks und Prozessen dedizierte Systemressourcen zuweisen, um Determinismus zu gewährleisten. Server-on-Modules von Congatec sind dafür vorbereitet – Entwickler können sie schnell mit den erforderlichen Parametern für Echtzeit-Kollokationsdienste versehen. Hierbei teilen sich unterschiedliche Applikationen Ressourcen gemeinsam. So können Fabrikbetreiber ihre echtzeitfähigen 5G-Edge-Datenserver effizient für die unterschiedlichen Dienste bereitstellen, zum Beispiel

  • Maschinenautomation
  • Robotersteuerung
  • automatisierte Logistik in der Produktion

Ein weiterer Vorteil der neuen Module ist, dass sie bereits TSN nativ im Prozessormodul integrieren. So ermöglichen sie bei entsprechendem TSN-Support über die 5G-Core-Logik einen standardisierten Datenaustausch und durchgängige, transparente Kommunikation vom Sensor bis in die Cloud, zum Beispiel mittels OPC UA als offenem Echtzeit-Kommunikationsprotokoll. Die 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA), die eine Arbeitsgruppe des ZVEI ist, arbeitet hierzu an entsprechenden Spezifikationen zur Quality of Services (QoS) der Netzsicherheit und der TSN-Inte­gra­tion. Hiermit soll sogar eine jitterfreie isochrone Echtzeit möglich sein. Hierbei sind Zykluszeiten der Kommunikationsbeziehungen fest getaktet und in beide Richtungen innerhalb von 100 µs bis 2 ms synchronisierbar.

Serverkonsolidierung am industriellen 5G-Edge
Bild 4. Serverkonsolidierung am industriellen 5G-Edge: Bis zu 20 Kerne können eine Vielzahl an 5G Network Function Virtualization (NFV) sowie industrielle Echtzeitapplikationen hosten.
© Congatec

Für die COM-HPC-Module erweitert Congatec zudem zukünftig die Spezifikation für funktionale Sicherheit. Module, die die Funktion unterstützen, könnten dann als zentrale Con­trol­ler für autonome Intralogistikfahrzeuge wie

  • Schleppfahrzeuge
  • Stückgutträger
  • Gabelstapler
  • Fließbandfahrzeuge oder
  • Palettenwagen

zum Einsatz kommen oder kollaborative Roboter orchestrieren. So ist es möglich, entsprechend vorzertifizierte Computermodule bereitzustellen. Entwickler können somit ihre Safety-Applikationen deutlich schneller und einfacher realisieren.

COM-HPC Server-on-Modules für 5G-Mikrozellen

Die neuen COM-HPC Server-on-Modules denken das bisherige Edge-Server-Design gleich in drei Dimensionen neu:

  • 1. Das Rugged-Server-Design mit den neuen Xeon-D-Prozessoren ermöglicht das direkte Implementieren ohne zusätzliche Klimageräte in den Mikro­zellen der privaten 5G-Netze. Somit kann das Design sowohl in Standardindustrieumgebungen als auch über den erweiterten Temperaturbereich im Outdoor-Umfeld und für mobile Applikationen wie Baumaschinen oder in der Landwirtschaft zum Einsatz kommen.
  • 2. Die Server-on-Modules von Congatec bieten zudem mit einer hohen Speicherbandbreite mit erstmals bis zu 20 verfügbaren Kernen und bis zu acht DRAM-Sockeln eine deutlich bessere Leistung und Skalierbarkeit sowie deterministische Echtzeit im IIoT. Hiermit bilden sie die Grundlage für das Design kundenspezifischer 5G-Zellen mit integrierter Edge-Servertechnik als All-in-One-Lösung.
Zeljko Loncaric, Congatec
Zeljko Loncaric ist Marketing Engineer bei Congatec.
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  • 3. Für 5G-Netzadministratoren beinhalten die Module zudem einsatzspezifische Server-Feature-Sets: Für unternehmenskritische Designs stehen Hardwaresicherheitsfunktionen wie Intel »Boot Guard«, »Total Memory Encryption - Multi-Tenant« (Intel TME-MT) und »Software Guard Extensions« (Intel SGX) bereit. Für umfassende Remote-Application-Server(RAS)-Funktion unterstützen Remote-Hardware-Management-Funktionen wie »IPMI« und »Redfish«. Hierfür gibt es sogar eine PICMG-Spezifikation, welche die Interoperabilität solcher Designs unterstützt.

Individuelle Systementwicklungen und kundenspezifische Implementierungen unterstützt Congatec zudem mit umfangreichen Services – von Schulungen zu COM-HPC Designs über persönlichen Integrationssupport bis hin zu Compliance-Tests kundenspezifischer Carrierboard-Designs.

Der Autor

Zeljko Loncaric ist Marketing Engineer bei congatec in Deggendorf. Vor seinem Eintritt bei congatec Mitte 2010 war er in verschiedenen Positionen bei internationalen Unternehmen in den Bereichen Produktmanagement, Marketing und Sales Marketing in Deutschland und Australien tätig. Loncaric, der einen MBA in Betriebswirtschaftslehre und einen Abschluss in Medientechnik von der Universität Deg­gendorf hat, ist ebenfalls Elektroniker mit Bosch-Ausbildung. info@congatec.com

Ice Lake Product Family
Ab sofort erhältlich: Server-on-Modules für Intel Xeon D.
© Congatec
Ab sofort erhältlich: Server-on-Modules für Intel Xeon D
Folgende Module sind ab sofort in applikationsfertigen Bemusterungslosen verfügbar – inklusive der zur Thermal Design Power (TDP) des Prozessors passenden robusten Kühlmodule. Softwareseitig liefert Congatec die neuen Module mit umfassenden Board-Support-Paketen für Windows, Linux und VxWorks sowie RTS-Hypervisor aus. Sie sind in High-Core-Count(HCC)- und Low-Core-Count(LCC)-Varianten der Xeon-D-Prozessorserie erhältlich.
HCC-Varianten:
Die COM-HPC Server-Size-E-Module (conga-HPC/sILH) besitzen folgende Ausstattung/Varianten:
  • Fünf verschiedene Xeon-D-27xx-HCC-Prozessoren mit wahlweise vier bis 20 Kernen
  • Acht DIMM-Sockel für bis zu 1 TB 2933 MT/s schnellem DDR4-Speicher mit ECC
  • 32x PCIe Gen 4 und 16x PCIe Gen 3
  • 100 GbE-Durchsatz plus echtzeitfähigem 2,5 Gbit/s Ethernet mit TSN- und TCC-Unterstützung
  • Prozessorgrundleistung von 65 bis 118 W
LCC-Varianten:
Die COM-HPC-Server-Size-D-Module sowie auch Module nach dem etablierten COM-Express-Type-7-Standard besitzen folgende Ausstattung/Varianten:
  • Fünf verschiedene Xeon-D-17xx-LCC-Prozessoren mit wahlweise vier bis zehn Kernen
  • conga-B7Xl COM Express Server-on-Module mit bis zu 128 GB DDR4 2666 MT/s RAM über bis zu vier SODIMM-Sockel
  • conga-HPC/SILL Server-Size-D-Modul, 4 DIMM-Sockel für bis zu 256 GB 2933 MT/s schnelles DDR4 RAM beziehungsweise 128 GB bei ECC UDIMM RAM
  • Beide Modulfamilien bieten 16x PCIe Gen 4 und 16x PCIe Gen 3 Lanes
  • Für schnelle Netzwerke bieten sie bis zu 50GbE-Durchsatz und TSN-TCC-Unterstützung über 2,5 Gbit/s Ethernet
  • Prozessorleistung von 40 bis 67 W

 


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