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Skalierbare Computermodule

Schnelle Datenübertragung für das Edge

14. Dezember 2023, 13:00 Uhr | Von Richard Pinnow, Business Development Manager bei Adlink Technology

Bild 1: Computermodule in den Formfaktoren COM Express und COM-HPC von Adlink, die auf den Prozessoren AMD »V3000« und Intel »Icelake D« basieren.

Computermodule helfen Entwicklern, schnell von der Projektidee zur Umsetzung zu gelangen. Gerade mit den Formfaktoren COM Express Type 7 sowie COM-HPC Server sind leistungsstarke und robuste Applikationen möglich. Adlink unterstützt hier mit Plattformen und Design-In.

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Skalierbare Edge-Computing-Anwendungsfälle werden üblicherweise auf Basis von Computer-on-Modules (CoMs) umgesetzt. Das CoM als Herzstück sitzt auf einem kundenspezifischen Carrier-Board, das alle projektspezifischen Anforderungen individuell berücksichtigt, während das CoM hardwareseitig ein standardisiertes Produkt bleibt. Das CoM-Konzept ist herstellerübergreifend skalierbar und bietet hiermit Second-Source-Optionen, um Supply-Chain-Risiken aktiv zu begegnen.

Offene Standards wie COM Express und COM-HPC werden herstellerübergreifend und langfristig in offenen Standardisierungsgruppen wie der PCI Industrial Computer Manufacturers Group (PICMG) aktiv gepflegt, sodass sich Entwickler auf eine langfristige Unterstützung und Pflege verlassen können. Das Konzept bietet folgerichtig einen sehr guten Kompromiss aus Time to Market, einmaligen Fixkosten und dem Realisieren individueller Anforderungen. Hiermit können Entwickler über Prozessorgenerationen hinweg das Carrier-Board, die Kühlanbindung und das Gehäusekonzept weitestgehend wiederverwenden. Aus diesem Grund ist die Auswahl des richtigen Modulstandards von essenzieller Bedeutung, um langfristig den besten Return on Investment zu erzielen. Für modulares Edge-Server-Computing bieten sich zwei Formfaktoren an, beide wurden von der PICMG standardisiert: COM Express Type 7 und COM-HPC Server. Sie ergänzen sich ideal und adressieren hierbei zwei verschiedene Leistungsklassen (Bild 1).

Mission-Critical Edge-Server

Die sogenannte Zeitenwende ist in aller Munde, sodass die Nachfrage nach vernetzter IT- und OT-Ausrüstung, zum Beispiel für den Sicherheitssektor mit entsprechenden Anforderungsprofilen, besonders hoch ist. Eine besondere Systemherausforderung stellt hierbei das Booten innerhalb weniger Sekunden dar. Das ist lediglich über spezielle Bootmechanismen wie Slim-Boot möglich. Dessen Plattform-Support ist nicht bei traditionellem Netzwerk-Equipment zu finden, das vorrangig auf den Betrieb rund um die Uhr ausgelegt ist. Beispielsweise müssen Kommunikationssysteme für den Verteidigungs- und Sicherheitssektor verlässlich innerhalb weniger Sekunden anwendungsbereit sein, und das unabhängig von den herausfordernden Umweltbedingungen in Bezug auf Schock, Vibration und Umgebungstemperatur.

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Der COM-HPC-Server-Standard bietet im direkten Vergleich zu COM Express Type 7 erhebliche Reserven, beispielsweise die maximal verfügbare elektrische Leistung für leistungsstarke CPUs, die gesteigerte Anzahl von Pins sowie die doppelt so hohe maximale Übertragungsrate je Pin. Das ermöglicht Ethernet-Bandbreiten von bis zu 100 Gbit/s sowie 64 PCIe-Lanes der Generation 5. Die deutlich gesteigerte PCIe-Bandbreite wird dabei häufig für die Anbindung von leistungsstarken Graphics-Processing-Units (GPUs) verwendet, um dem hohen Leistungsbedarf von beispielsweise Mission-Critical Edge-Servern gerecht zu werden. Oft müssen Entwickler beispielsweise anspruchsvolle Sensoren wie hochauflösende Kameras mit hohen Bildraten einbinden, welche die Daten direkt am Entstehungsort prozessieren. Die hierbei zu sichernden Datenmengen sind je nach Anwendung enorm – zuverlässige Massenspeicher wie per PCIe angebundene Nonvolatile-Memory-Express(NVMe)-Medien sind hier essenziell.

Formfaktoren ergänzen sich

Mit dem COM-HPC-Server-Standard wurde erstmals offiziell das Remote Management per Intelligent Platform-Management-Interface (IPMI) mit in die Spezifikation aufgenommen. IPMI ermöglicht mittels eines auf dem Carrier-Board befindlichen Board-Management-Controller (BMC), ein oder mehrere Computer-on-Modules auf einem Carrier-Board für verschiedene Aufgaben aus der Ferne zu steuern, zu überwachen und langfristig zu warten. Bis zu acht DIMM-Type-Hauptspeicher erlauben es, selbst höchst ambitionierte Virtualisierungsaufgaben mittels moderner Hypervisor-Technik umzusetzen. Sehr häufig entscheidet zudem die maximal mögliche Thermal-Design-Power (TDP) ob COM-Express Type 7 oder COM-HPC Server verwendet werden kann.

Die aktuelle AMD-CPU »V3000« bietet momentan die beste Leistung pro Watt und bewegt sich zwischen 15 und maximal 45 W. Folglich ist hier der COM-Express-Type-7-Standard die ideale Wahl, ohne bei den Input/Output(I/O)-Kanälen Kompromisse eingehen zu müssen. Zum Beispiel bedient ein Modul von Adlink Technology zweifach 10G- plus einfach 2.5G-Ethernet sowie 14 Lanes PCIe Gen4, eingebettet auf dem COM-Express-Basic-Formfaktor mit den Maßen 125 mm × 95 mm. Am anderen Ende des TDP-Spektrums hingegen bewegt sich die aktuelle Intel-Ice-Lake-D-Generation mit 40 bis 67 W beziehungsweise 120 W. Das Board bietet PCIe-Support bis zu 48 Lanes und bis zu 100G-Ethernet. In der Konsequenz zeigt sich, dass sich COM Express Type 7 und COM HPC Server unter verschiedenen Gesichtspunkten ideal ergänzen, statt sich 1:1 zu ersetzen.

Private 5G-Small-Cell-Infrastruktur

5G bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber konkurrierenden Technologien wie WiFi und Bluetooth. So bietet 5G Open Radio Access Network (Open RAN) eine hohe Flexibilität für zukünftige Applikationen. Traditionell konzentrieren sich Mobilfunknetze auf eine hohe Bandbreite für beispielsweise hochauflösendes Streamen von Videos, erweiterte Realität (AR), virtuelle Realität (VR) und verschiedene Cloud-Dienste. Hinzu kommen neue Möglichkeiten wie intelligente Stromnetze, autonomes Fahren und Fernchirurgie. Diese sind weniger auf eine maximale Bandbreite ausgerichtet, sondern erfordern eine intensive Edge-Rechenleistung von GPUs und FPGAs mit sehr kurzer Netzwerkantwort (Verzögerung unter 1 ms). Möglich ist dies erst aufgrund einer höheren Netzwerk-Durchsatzrate und kürzeren Daten-Roundtrips.

Zum Beispiel bietet 5G Latenzen im Millisekunden-Bereich und beschleunigt die Datenübertragung dank Funktionen wie Ultra-Reliable Low-Latency-Communications (kurz: URLLC). URLLC kommt hierbei industriellen Steuerungen, Prozesssteuerungen, Robotern sowie der Machine-to-Machine(M2M)-Kommunikation zugute. Ebenso ermöglicht Massive Machine-Type-Communication (mMTC) in 5G-Umgebungen den Anschluss von bis zu einer Million verbundener Geräte pro Quadratkilometer. Funktionen wie Time-Sensitive Networking (TSN) erlauben den Geräten eine nahezu perfekte Synchronisation. Weiterhin reduziert die drahtlose 5G-Kommunikation die Implementierung von teuren Ethernet-Sensoren und aufwendigen Drahtinstallationen. Eine grundlegende Frage ist lediglich, welche Art von 5G-Netzwerk implementiert werden soll.

Öffentliche 5G-Netze, unterstützt von Dienstleistungsanbietern, mögen kurzfristig aufgrund schlüsselfertiger Angebote dominieren. Private 5G-Netzwerke bieten dagegen gegenüber öffentlichen Netzwerken einen Wettbewerbsvorteil, da private Netzwerke es Benutzern ermöglichen, den technischen Fortschritt anwendungs- und bedarfsgerecht im eigenen Netzwerk widerzuspiegeln, um je nach Ziel-Applikation die jeweilige Verfügbarkeit in Bezug auf Datendurchsatz und Latenz sicherzustellen. Unternehmen können ihre eigenen 5G-Netzwerke verwalten und sind nicht mehr von Dienstleistern abhängig. Das kann eine signifikante Zeitersparnis bedeuten, beispielsweise beim Warten auf den technischen Support eines Anbieters oder beim Umgang mit geplanten oder ungeplanten Ausfällen.

Nutzen Hersteller ihr eigenes privates 5G-Netzwerk, bleiben die Daten innerhalb der eigenen Unternehmensgrenzen und innerhalb ihrer Sicherheitsinfrastruktur, was das Risiko von Korrumpierungen minimiert. Der Betreiber kontrolliert sein eigenes 5G-Netzwerk und all seine Daten, es besteht also keine Rechenschaftspflicht gegenüber einem Drittanbieter. Zudem steht es ihm frei, seine Datenrichtlinien so streng oder nachsichtig zu gestalten, wie es die Umstände erfordern.

Individuelle Anforderungen umsetzen

5G-Installationen sind typischerweise rauen Betriebsumgebungen ausgesetzt und müssen in begrenztem Installationsraum Platz finden. Um eine maximale Abdeckung zu bieten, muss sich ein Small-Cell-/Edge-Computing-System flexibel an verschiedene örtliche Gegebenheiten anpassen können. Ob im Datenraum eines Gebäudes oder einem Außenbereich, die 5G-Edge-Applikation sollte in engen Bauräumen installierbar und robust genug gegen raue Umweltbedingungen sein, einschließlich hoher Vibrationen in Produktionsstätten.

Ein weiteres Qualitätsmerkmal stellt eine maximale Zuverlässigkeit dar: Als Mission-Critical-Edge-Server muss die Applikation zudem mit einer akzeptablen mittleren Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) arbeiten. Eine hohe Robustheit ist besonders wichtig für Systeme, die an Standorten mit eingeschränktem örtlichem Zugang installiert werden. Aus diesem Grund ist eine Fernwartbarkeit unter Verwendung von offenem und standardisiertem Remote Management essenziell, um die Firmware von 5G-Systemen laufend auf dem aktuellen Stand zu halten sowie um wichtige Informationen über den Server-Zustand abzurufen. Die aktuell verfügbaren COM-Express-Type-7-Plattformen wie der AMD V3000 sowie Intels Ice-Lake-D-Prozessoren auf den Formfaktoren COM-Express Type 7 und COM-HPC Server bieten den idealen Start für das Entwickeln von modularen und skalierbaren 5G-Servern als auch für kostensensitive 5G-Small-Cell-Active-Antenna-Geräten (Bild 2).

Individuelle Anforderungen setzt Adlink Technology für OEMs effizient auf dem Carrier-Board um, während der komplexe Teil mit Bezug auf die High-Speed-Signale bereits vom Computer-on-Module mitgebracht wird. Adlink bringt mit seinem Computer-on-Module-Portfolio mehr als einen leistungsfähigen Edge-Server-Baukasten in den 5G-Bereich ein. Mit Jahrzehnten an Erfahrung in verschiedenen vertikalen Märkten bietet der Hersteller anwendungsspezifisches Fachwissen in den Bereichen robustes Design, Edge-Computing, industrielle Automatisierung sowie beim Entwickeln von Plattformen für KI-Anwendungen auf GPU-Basis.