Mit AMD-Epyc-Prozessoren
Performance am Edge erhöhen
Die aktuellen Epyc-Prozessoren von AMD bringen die Leistung von bis zu 64 Cores und 128 Threads ans Edge. Advantech integriert die Zen3-Technik und das Chiplet in sein »SOM–E780« mit bis zu 225 W TDP für Server-Technik. Mit dem passenden Carrierboard lassen sich sogar bis zu 79 PCIe-Kanäle nutzen.
Standardisierte System-on-Modules (SoMs) – oftmals auch als Computer-on-Modules (CoMs) bezeichnet – sind seit mehreren Jahrzehnten eine einfache sowie kostengünstige Möglichkeit, innerhalb kurzer Zeit ausgereifte und betriebssichere Systeme zu entwerfen. Besonders hat sich das bei industriellen eingebetteten Systemen bewährt. Hier erreichen die Hersteller nicht immer die hohen Stückzahlen, um kundenspezifische Computersysteme kostendeckend zu entwickeln.
Hohe Leistungsanforderungen am Edge
Hinzu kommt, dass die Leistungsanforderungen am Edge immer weiter steigen, da mehr und mehr ursprüngliche Cloud-Applikationen inzwischen am Edge ausgeführt werden. Nötig machen das eine oft geforderte geringere Latenz beim Verarbeiten von Daten sowie ein Reduzieren des firmenexternen Datenverkehrs aus Kosten- und Sicherheitsgründen. Moderne Hochleistungssysteme bieten heutzutage einen Durchsatz am Edge, den vor einigen Jahren lediglich sehr leistungsfähige Cloud-Computer im Rechenzentrum lieferten. Mit der robusten Ausführung, einer langen Verfügbarkeit sowie einer sehr guten Skalierbarkeit haben sich auf SoMs basierende Embedded-Systeme seit vielen Jahren im Markt etabliert. Bis vor wenigen Jahren waren diese jedoch – nicht zuletzt aufgrund ihrer kompakten Bauweise – auf CPU-Leistungen von maximal 60 bis 100 W limitiert. Zudem beschränkte die Anzahl der Pins auf den Verbindungssteckern die maximale Bandbreite der Verbindungen.
COM-HPC als SoM-Standard für das Edge
In den letzten beiden Jahren hat sich der neue COM-HPC-Standard der PCI Computer Manufacturers Group (PICMG) in dem Bereich fest etabliert. Er ist besonders gut für Edge-Applikationen mit hohem I/O-Bedarf geeignet. Das liegt vor allem an der hohen Anzahl der Pins von insgesamt 800. Sie ermöglichen hohe, auf zwei Board-to-Board-Verbindungen verteilte Datenraten und somit deutlich höhere Bandbreiten für Kommunikations-Applikationen. Während bei der bisherigen PCIe-Generation 3 Datenraten von 8 GT/s beziehungsweise eine Datenrate von etwa 0,97 GB/s pro Lane möglich waren, verdoppeln sich die Raten jeweils beim Übergang auf die nächsten Generationen 4 und 5. Zudem skaliert sich der maximale Durchsatz der Systeme direkt mit der Anzahl der Lanes. So erlaubt der COM-HPC-Standard bei Server-Modulen bereits 65 PCIe-Lanes mit bis zu Gen5-Geschwindigkeit sowie CPU-Leistungen bis knapp 300 W TDP.
Das SOM-E780
Mit einigen proprietären Erweiterungen und anderen Belegungen im Pinout unterstützt das COM-HPC-Modul »SOM-E780« von Advantech insgesamt bis zu 79 PCIe Gen4-Lanes (Bild 1). In Verbindung mit dem passenden Carrierboard »SOM-DH7000« (Bild 2) lassen sich so bis zu vier I/O-Ports mit je 16 Lanes nutzen. Diese können Entwickler beliebig in Kanäle mit acht oder vier Lanes aufteilen. Außerdem können sie sie für jegliche Art von Controllern, (KI-)Beschleunigern, optische oder Ethernet-Kommunikation mit bis zu 100 GB/s nutzen. So lassen sich modulare Server für Leistungs- und durchsatzstarke Applikationen wie künstliche Intelligenz, Signal- oder Videobearbeitung einfach und schnell realisieren. Weiterhin stehen weitere 14 x1-Lanes bereit, eine zusätzliche x1-Lane ist für den COM-HPC-kompatiblen Board-Management-Controller (BMC) reserviert.
Über zwei SATA-3.0-Anschlüsse lassen sich des Weiteren konventionelle Massenspeicher einbinden. Weitere Möglichkeiten bieten
- je vier USB-3.2-Gen1- und USB-2.0-Anschlüsse
- ein SPI-Bus
- ein 12-bit-GPIO-Port
- zwei COM-Ports
- zwei SMART-Fan-Anschlüsse: je ein Port auf dem COM-HPC-Modul und auf dem Carrierboard
- ein Watchdog-Timer
- ein optionales TPM-2.0-Modul
Die Stromversorgung erfolgt über einen ATX-Anschluss mit 5/12 V mit ±5 Prozent Genauigkeit; der robuste Aufbau verträgt Vibrationen bis 3,5 G (5 bis 500 Hz, x-, y-, z-Achse). Neben den Betriebssystemen Yocto und Ubuntu Linux liefert Advantech das Software-Tool »iManager« sowie Embedded-Software-APIs. Zudem unterstützt das Modul die »WISE-DeviceOn«-Plattform des Herstellers sowie den »Intelligent Platform Management Bus« (IPMB).
Mit den Maßen 200 mm × 160 mm entspricht das Board den Vorgaben des COM-HPC-Standards Size E für Server-Module. Es verfügt über vier Bänke an schnellem Dual-Channel-DDR4-3200-Speicher, wahlweise mit oder ohne Error-Correction-Code (ECC). So lässt sich das Modul mit bis zu 512 GB RAM aufrüsten. Bestückbar ist das SOM mit Epyc-Prozessoren der Epyc-7003-Familie von AMD. Sie nehmen eine maximale Thermal-Design-Power (TDP) von 225 W auf und arbeiten mit bis zu 64 Cores sowie 128 Threads. Eine solche Leistungsklasse findet man üblicherweise erst bei größeren Cloud-Servern. Neben aktiven und passiven Standard-Kühlmöglichkeiten bietet Advantech ebenfalls kundenspezifische Applikationen als Design und Manufacturing Services (DMS) an.
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Die Epyc-Prozessoren der 7003-Familie
AMDs Epyc-Prozessoren wurden speziell für Cloud- und Server-Applikationen entwickelt. Hierbei liegt die Anforderung primär nicht darin, in wenigen einzelnen Kernen Höchstleistungen zu erreichen, sondern den Rechenbedarf von Applikationen möglichst gleichmäßig auf mehrere Kerne zu verteilen. So kann die benötigte Rechenleistung über die Anzahl der eingesetzten Kerne weitgehend linear skaliert werden. Für die Performance des Gesamtsystems ist es entscheidend, wie effizient die einzelnen Kernsysteme untereinander verbunden sind und wie viel Ressourcen wie Speicher, Cache-Speicher und Datenbandbreite für jeden einzelnen Kern verfügbar sind. Im Vergleich zu Mitbewerbern innerhalb der x86-Architektur verfügen die Epyc-Prozessoren schon immer über eine hohe Kerndichte. Laut AMD verfügen vergleichbare Intel-Prozessoren der Xeon-8000-Serie beispielsweise lediglich über maximal 40 Kerne und eine deutlich geringere Gesamtrechenleistung bei vergleichbarer Leistungsaufnahme.
Vorsprung mit Chiplets
Als Chiplets bezeichnet man einzelne Chips beziehungsweise Dies innerhalb eines Gehäuses. Sie lassen sich auf engstem Raum sozusagen beliebig an- und übereinander stapeln. So lassen sich deutlich höhere Packungs- und Verdrahtungsdichten erreichen – gegenüber einem Ansatz mit einem einzigen monolithischen Chip innerhalb eines Gehäuses mit seiner beschränkten Anzahl an externen Anschlüssen. Zudem lassen sich je nach Bedarf Chips beziehungsweise Chiplets unterschiedlicher Technologien und Funktionen in einem Gehäuse kombinieren. Dieses hybride Multichip-SoC-Konzept ermöglichte unter anderem einen effizienteren Speicherzugriff – als NUMA, Non-uniform Memory Access bezeichnet – sowie die ersten x86-Serverprozessoren in 7-nm-Technik. Letztere gewährleistet nach AMD-Angaben eine gegenüber der 10-nm-Vorgängertechnik um bis zu 50 Prozent höhere Energieeffizienz. Hierdurch können die Entwickler die Prozessoren dichter packen und bringen hiermit mehr Kerne und somit Rechenleistung unter.
Zudem benötigen die CPUs bei gleicher Rechen-Power deutlich weniger Energie. Ferner ermöglichen Chiplets, echte Komplettsysteme mit einem hohen Maß an Vollständigkeit in ein einziges Gehäuse zu integrieren. So entfallen ansonsten nötige externe Chipsätze oder zusätzliche I/O Chips, auch »Bridges« genannt. Das bringt weitere Platz- und Kostenvorteile mit sich. Weitere Leistungsvorteile gewährleistet die Infinity-Fabric-Architektur: Sie ermöglicht hohe Speicherbandbreiten und beschleunigte E/A-Performance für hohe Anforderungen. Außerdem beschleunigt diese Chiplet-interne »Verdrahtung« mit ihren kurzen und direkten Wegen die interne Kommunikation zwischen Prozessorkernen, Cache-Speicher und Peripherie.
Aufgrund der verwendeten kleineren Dies steigt die Ausbeute der Chips exponenziell mit der Größenersparnis. Das bringt große Kostenvorteile mit sich. Sie können an die Kunden mit insgesamt günstigeren Prozessorpreisen weitergegeben werden. In der aktuellen Lage sind die Energiekosten zum größten Kostentreiber beim Betrieb von Datencentern und Servern geworden. Der deutlich geringere Energieverbrauch bei mindestens gleich großer Rechenleistung resultiert in einer geringeren Total Cost of Ownership (TOC) gegenüber Mitbewerbern am Markt. Kunden von AMD berichten hierbei von gesunkenen Energiekosten um bis zu 50 Prozent in Zusammenhang mit dem Umstieg von Wettbewerbsprodukten oder der Vorgängergeneration.
Zusammengefasst bieten die Epyc-Prozessoren bei den meisten Applikationen deutliche Vorteile hinsichtlich Technik und Kosten, vor allem bei Edge- oder Cloud-Applikationen mit einer größeren Anzahl an benötigten Kernen beziehungsweise Threads.
Sicherheit für Edge- und Server-Applikationen
AMD liefert einen mehrschichtigen Ansatz bei der Sicherheit: mit AMD Infinity Guard 3, einer vollständigen Suite an Sicherheitsfunktionen. Sie trägt dazu bei, Geschäftsrisiken beim Booten und Ausführen von Software sowie beim Zugriff auf wichtige Daten zu verringern, und umfasst
- sicher verschlüsselte Virtualisierung (SEV) zum Schutz von Daten und Integrität der virtuellen Maschinen (VMs)
- sicher verschachteltes Paging (SEV-SNP) für starken Speicherintegritätsschutz
- sichere Speicherverschlüsselung (SME-SSV) zum Schutz vor Angriffen auf den Hauptspeicher
Außerdem bietet AMD mit »Shadow Stack« ebenfalls auf der Hardware-Seite einen verstärkten Stack-Schutz gegen Malware-Angriffe.
Das SOM-780 mit den Prozessoren Epyc 7002 und 7003 sowie das dazu passende, ebenfalls voll industrietaugliche Carrierboard SOM-DH 7000 sind kurzfristig verfügbar. Sie eignen sich für alle I/O- und Prozessor-intensiven Applikationen am Edge. Aufgrund des modularen Aufbaus als SoM lassen sich die Systeme leicht intern und extern skalieren, beispielsweise als Multi-Prozessor-System.
Der Autor
Knud Hartung ist Senior Product Marketing Manager bei Advantech. knud.hartung@advantech.de
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