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Computer-on-Modules für Edge-Server

Leistungssteigerung leicht gemacht

29. Oktober 2019, 11:30 Uhr   |  von Zeljko Loncaric

Leistungssteigerung leicht gemacht
© Rocksweeper | shutterstock.com

Hardware-Module für Server-Prozessoren werden für Entwickler von Embedded-Systemen immer wichtiger.

Server-Prozessoren werden immer effizienter. Deshalb nutzen sie Entwickler gerne für die Leistungssteigerung von Embedded-Anwendungen. Congatec unterstützt sie dabei mit Hardware-Komponenten.

Viele Anwendungsbereiche im Embedded-Computing-Markt benötigen heute immer mehr Rechenleistung. In Industrie-4.0-Anwendungen sind mehrere Maschinen und Geräte zu synchronisieren und bei Machine-Vision-Geräten für die kollaborative und kooperative Robotik sind Videos und Bilder sowie andere Umgebungsdaten in Echtzeit zu verarbeiten. Gleiches gilt für autonome Logistikfahrzeuge. Auch das Installieren von 5G-Netzen führt zu Aufgaben im Edge-Computing-Bereich, die standardmäßig hohe Server-Performance einfordern. Nebenbei steigt der Bedarf, virtuelle lokale Geräte in rauen Umgebungen einzusetzen. Sie sollen Funktionen wie indus­trielles Routing, Firewall-Sicherheit und Virtual Private Network (VPN)-Techniken via Software auf einer einzigen generischen Embedded-Computing-Plattform ausführen.

Nicht nur in dem Zusammenhang gewinnt auch die Möglichkeit an Bedeutung, Embedded-Systeme fern zu verwalten, sowohl »on-the-fly« als auch »out-of-band«. On-the-fly erlaubt dabei ein automatisiertes, bedarfsgerechtes Systemmanagement, out-of-band die Systemverwaltung auch bei ausgefallenem System. Auch neue Anwendungsgebiete wie Inferenzsysteme für künstliche Intelligenz (KI) erfordern eine hohe Rechenleistung. Der Trend hin zur Systemkonsolidierung mittels Virtualisierung mit Hypervisor-Techniken heizt die Nachfrage nach immer mehr Embedded-Systemleistung zusätzlich an.

Neue Leistungsklasse für Embedded-Server

Alle genannten Anwendungsbereiche erfordern eine neue Leistungsklasse auf Embedded-Server-Ebene, die die klassische Embedded-Computertechnik bisher nicht liefern konnte. Die Anzahl der Rechenkerne sowie die Bandbreite und Anzahl der Hochleistungsschnittstellen reichten nicht mehr aus. Zudem fehlten auch umfassende Remote-Management-Funktionen. Allerdings haben Prozessorhersteller ihre Server-Plattformen in den letzten Jahren immer effizienter gemacht und bieten jetzt auch Multiprozessorplattformen für das Design von Embedded-Edge-Servern. Beispiele sind die Intel Xeon-D1500- und Intel Atom-C3000-Prozessoren oder die AMD EPYC Embedded-Prozessorfamilie. Sie überzeugen mit mehrfacher 10+ GbE (Gigabit Ethernet)-Leistung und extrem vielen PCIe-Schnittstellen der neuesten Generation. Außerdem besitzen sie umfassende RASM (Reliability, Availability, Serviceability and Maintainability)-Features, aus dem klassischen Serversegment. Da auch gelötete Prozessoren mit 30 W thermischer Verlustleistung verfügbar sind, lassen sich sogar vollständig passiv gekühlte Edge-Server in robuster Ausführung entwickeln.

COM-Express-Type-7-basierte Server-on-Modules
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Bild 1. COM-Express-Type-7-basierte Server-on-Modules integrieren alle Kernkomponenten auf einem einzigen, standardisierten und anwendungsfertigen Baustein ab Lager. Das kundenspezifische Carrierboard führt alle anwendungsspezifischen Controller und externen Interfaces aus.

Standard für Formfaktor erforderlich

Anbieter von Embedded Computern haben die neuen Embedded-Server-Prozessoren auf standardisierter Server-on-Modules-Basis nach der COM-Express-Type-7-Spezifikation integriert. Unter der Federführung von Congatec wurde der Standard von der hersteller-unabhängigen PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) entwickelt. Im April 2017 wurde der offiziell verabschiedete Server-on-Module-Standard speziell für das Design flexibler Mikroserver für Telekom-Infrastrukturen und industrielle Edge-Server entwickelt. Die Module dienen als Bausteine für kunden- und anwendungsspezifische Systemdesigns. Kunden fragen solche Bausteine im Embedded-Server-Bereich oft nach, da sie konventionelle Serverboards ab Lager in den meisten Embedded-Anwendungen nicht einsetzen können. In vielen Fällen reicht weder der Platz für die Boards – oder Blades – aus, noch können sie die individuellen Schnittstellenanforderungen der Kunden erfüllen, die sich in industriellen Anwendungen fast immer hinsichtlich Anzahl, Konfiguration und Position unterscheiden (Bild 1).

conga-B7AC
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Bild 2a. conga-B7AC Server-on-Module mit Intels Atom C3xxx-Prozessoren.

conga-B7E3
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Bild 2b. conga-B7E3 Server-on-Module mit AMDs EPYC-Embedded-3000-Serie.

Anwendungsfertige Plattformen

COM Express Type 7 Server-on-Modules integrieren alle Kernkomponenten auf einem einzigen, standardisierten und anwendungsfertigen Building-Block ab Lager. Zu den Kernkomponenten zählen CPU, RAM und Platform Controller Hub (ehemals South Bridge) für Peripherie-Interfaces, zum Beispiel Gigabit Ethernet. Ein standardisierter Konnektor verbindet das anwendungsspezifische Carrierboard. Es führt die zugehörigen Schnittstellen genau dort aus, wo sie benötigt werden.

Umfangreiche Design-Anleitungen sowie freie Schaltpläne vereinfachen das Carrierboard-Design. Mittels eines einfachen Modulwechsels lässt sich die Leistung der Modul-Carrierboard-Kombination skalieren. Ein Upgrade ist sogar über Prozessor-, Sockel- und Speichergenerationen hinweg möglich. Das sichert höchste Skalierbarkeit und bietet ein hohes Maß an Investitionssicherheit. Letztlich macht sich das in Kosten­vorteilen und einer Standzeit über Jahrzehnte bezahlt. Zahlreiche Embedded-Anbieter stellen zudem wettbewerbsfähige Preise und ein reichhaltiges Ökosystem an Zubehör sicher. Zusätzlich stellt die PICMG als unabhängiges Standardisierungsgremium für COM Express die herstellerunabhängige Weiterentwicklung des Computer-on-Module-Standards sicher.

conga-B7XD
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Bild 2c. conga-B7XD Server-on-Module mit Intels Xeon-D und Pentium-D-Prozessoren.

Ganz einfach die Leistung steigern

Besonders überzeugend ist für Betreiber im Edge-Server-Segment die Tatsache, dass sie die installierte Basis einfach aufrüsten können, um den konstant sinkenden Umsätzen pro Gigabit Datentransfer zu begegnen. Betreiber von Serverfarmen suchen deshalb nach Möglichkeiten, ihre Investitionen zu optimieren und zwar mit höheren Rack-Leistungen. Mit Server-on-Modules müssen sie keine Rechenzentren erweitern, um die steigenden Leistungsanforderungen zu erfüllen. Sie müssen nur das Modul wechseln. Das ist auch bei Cloudlet-Server-Installationen auf Mobilfunkmasten wichtig, da es in der Regel keinen Platz für Erweiterungen gibt. OEM-Anbieter wie Christmann schätzen, dass die Migrationskosten für eine zweite Generation bei rund 50 Prozent liegen – inklusive aller Dienstleistungen, die für neue Konfigurationen, Qualifizierung und Installation zu erbringen sind. Werden die Kosten auf beispielsweise drei Innovationszyklen betrachtet, reduzieren sich die Gesamtinvestitionen auf etwa zwei Drittel. Hiermit ermöglichen Server-on-Modules für die verschiedenen Edge-Anwendungen wichtige Upgrades zu niedrigen Kosten. Außerdem tragen sie auch zu einer besseren Umweltbilanz der Systeme über den gesamten Lebenszyklus bei, da die meisten Komponenten auch in der zweiten und dritten Installationsphase weiter zu verwenden sind (Bilder 2a bis 2c).

Kühllösungen
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Congatec Kühllösungen für COM Express Type 7 Server-on-Modules.

Alles Nötige aus einer Hand

Für solche Rack-Server-Designs sowie für viele weitere Embedded-Edge-Server-Designs, bieten Unternehmen wie Congatec COM Express Type 7 Server-on-Modules mit allen wichtigen AMD- und Intel-Prozessoren. Das Unternehmen hat zudem für jeden Prozessor auch individuelle Kühllösungen entwickelt (Bild 3).

Kunden können damit die maximale Prozessorleistung aus ihren Anwendungen herausholen, da die Leistung hauptsächlich von der Temperatur abhängt. Auch Carrierboard- und Systemdesigns lassen sich umsetzen, entweder vom Modulanbieter selbst oder mit Partnern wie Connectech oder iesy. Echtzeit-Hypervisor-Implementierungen sind mit dem RTS-Hypervisor von Real-Time Systems möglich. In Kooperation mit dem Industrial-Vision-Anbieter Basler sind sogar das Entwickeln hochflexibler, vollständig passiv gekühlter Systeme für autonome Roboterfahrzeuge mit künstlicher Intelligenz möglich. Zum Beispiel mithilfe der Kombination aus der Basler Kameratechnik mit COM Express Type 7 Server-on-Modules und mehreren General Purpose Computa­tion on Graphics Processing Unit
(GPGPU)-Karten. Neben den neuen Modulen haben Original Equipment Manufacturers (OEMs) folglich auch weitere Optionen, ihre Anwendungen schneller auf den Markt zu bringen.

Zeljko Loncaric
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Zeljko Loncaric ist Marketingingenieur bei Congatecin 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 Betriebswirtschaft und einen Abschluss in Medientechnik von der Hochschule Deggendorf hat, ist auch Elektroniker mit Bosch-Ausbildung.Zeljko.Loncaric@congatec.com

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