COM-HPC-Server-on-Modules Grenzenlose Freiheit für Edge-Server

Von Andreas Bergbauer *

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Dank COM-HPC Server-on-Modules mit Intels Xeon-D-Prozessoren sind Edge-Server-Installationen nicht mehr auf klimatisierte Serverräume limitiert. Stattdessen können sie nun überall eingesetzt werden.

Bild 1: Die weltweit ersten COM-HPC Server-on-Modules mit Intel Xeon D Prozessoren befreien Edge-Server von den Einschränkungen klimatisierter Serverräume.
Bild 1: Die weltweit ersten COM-HPC Server-on-Modules mit Intel Xeon D Prozessoren befreien Edge-Server von den Einschränkungen klimatisierter Serverräume.
(Bild: Congatec )

Um eine Client-Server-Kommunikation in Echtzeit und ohne Verzögerungen zu ermöglichen, werden Daten in der Regel am Rande der Kommunikationsnetze – der sogenannten Edge – und nicht in zentralen Clouds verarbeitet. Leider ist dies für die Hersteller von Server-, Netzwerk- und Speichertechnologien problematisch: Bislang bieten sie ihre Systeme konsequent als Rack-Lösungen an, bei denen das Thermalmanagement der Racks und die Klimatisierung der Serverräume durch aktive Lüftungskonzepte und leistungsfähige Klimatechnik geregelt werden.

Diese Methoden sind jedoch nicht mehr zeitgemäß, wenn es um die Edge-Server-Technologie geht. Die ASHRAE – American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers – verfügt zwar über große Erfahrung in der Installation von Edge-Servern in rauen Umgebungen. Der Verband hat auch vernünftige Vorschläge gemacht, um sicherzustellen, wie mittels Klimaanlagen und der Isolierung betriebene Edge-Rechenzentren bestmöglich vor Kälte- und Hitzeschecks geschützt werden.

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Edge-Server ohne Klimatisierungszwang

Allerdings rät ASHRAE hierbei dazu, dass Edge-Rechenzentren nur bedingt Temperaturschwankungen unterliegen sollten: 20 °C innerhalb einer Stunde bzw. 5 °C innerhalb von 15 Minuten. Diese Richtlinien sind jedoch nur schwer zu erreichen: Werden Wartungsarbeiten an Edge-Rechenzentren durchgeführt, die beispielsweise kleiner als eine Telefonzelle sind, sind die Richtlinien hinfällig, da die Hersteller in der Lage sein sollten, während der Wartungsphase und bei jeder Umgebungstemperatur an solchen Systemen zu arbeiten. Bei solchen Systemen ist es nämlich nicht mehr möglich, das System über eine Klimaschleuse zu betreten, die Tür schnell wieder zu schließen und dann in einem klimatisierten Serverraum zu arbeiten.

In rauen Umgebungen benötigen Edge-Server und Rechenzentren daher Systemdesigns, die besser mit Temperaturschwankungen umgehen können. Auch müssen sie, wenn sie ohne Klimatechnik betrieben werden, in einem viel größeren Temperaturbereich als den normalerweise für IT-Geräte in Innenräumen empfohlenen 0 bis 40 °C funktionieren. Es ist zwingend erforderlich, Embedded-Systemdesigns anzustreben, die bei arktisch kalten und heißen Temperaturen zwischen –40 °C und 85 °C funktionieren. Eben solche, wie sie in industriellen Umgebungen vorkommen. Deshalb muss jede Komponente entsprechend ausgelegt sein.

Neue Designs können Klimatisierungskosten senken

Die eingesetzte Prozessortechnologie ist sicherlich der fundamentalste Stellhebel bei der Auslegung von Edge-Server-, Netzwerk- und Speichertechnologien. Hier werden die CAPEX- und OPEX-Entscheidungen gefällt: Einerseits ist es möglich, die ASHRAE-Richtlinien einzuhalten und somit viel Geld in die Klimatechnik und Isolierung zu investieren. Dabei nimmt man gleichzeitig auch die höheren Betriebskosten in Kauf, die aufgrund des sekundären Energieverbrauchs entstehen. Andererseits sind diese Richtlinien verzichtbar, wenn man Systeme einsetzt, die in rauen Umgebungen komplett ohne Klimaanlagen funktionieren und dadurch kostengünstiger eingesetzt werden können.

Mit den Xeon-D-Prozessoren ist nun eine solche robuste Servertechnologie verfügbar, die in einem weiten Temperaturbereich von -40 bis 85 °C betrieben werden kann. Hochleistungsserverkonzepte können deshalb aus den starren thermischen Beschränkungen klimatisierter Serverräume befreit und überall dort aufgestellt werden, wo am Rande des IoTs und der Industrie-4.0-Fabriken ein latenzfreier massiver Datendurchsatz benötigt wird: Beispielsweise in Fabriken, Outdoor-, Kommunikations- und Videoüberwachungssystemen, andere kritische Infrastrukturen sowie Server in mobilen Systemen – von Zügen und Flugzeugen bis hin zu selbstfahrenden Shuttlebussen in intelligenten Städten.

Spezifische Anforderungen an das Systemdesign

Ein stabiler Edge-Server zeichnet sich jedoch nicht nur durch seinen Serverprozessor aus. Um den Anforderungen an ein Systemdesign für raues Umfeld gerecht zu werden, ist auch die Auslegung des gesamten Systems von entscheidender Bedeutung. Jedes verwandte Bauelement muss qualifiziert werden. Auch dem Leiterplattendesign sowie den spezifischen Beschichtungen, die vor Umwelteinflüssen wie Kondenswasser schützen, ist besondere Aufmerksamkeit zu widmen, um den Anforderungen an ein raues Umfeld gerecht werden zu können. Darüber hinaus ist ein hoher Schutz vor elektroma-gnetischen und hochfrequenten Signalen erforderlich, die den ordnungsgemäßen Betrieb der Systeme beeinträchtigen könnten.

Embedded-Computing-Hersteller wie Congatec bieten OEMs umfassendes Knowhow in der Systemauslegung, da sie schon seit vielen Jahren Standard-PC-Technologien wie Intels Core-Prozessoren industrietauglich in Embedded-Client-Systeme integrieren. Die Entwickler kennen die Anforderungen und Zertifizierungsstandards unterschiedlichster Branchen und sind darauf spezialisiert, Systeme so auszulegen, dass sie sich für den langjährigen 24/7-Betrieb im rauen Umfeld eignen. Zudem haben sie auch die Expertise, um Systeme langzeitverfügbar zu machen. So wird sichergestellt, dass OEM-Lösungen mit identischen Board-Konfigurationen über einen Zeitraum von sieben bis 15 Jahren geliefert werden können. Embedded-Systemdesigns unterscheiden sich also deutlich von Auslegungen für den wohlklimatisierten Serverraum oder den Office- und Consumer-Bereich. Zum Einsatz kommen größtenteils applikationsfertige Computermodule auf Basis international anerkannter Standards, um langfristige Skalierbarkeit auch über Prozessorsockel und -hersteller hinweg bieten zu können. Kostensenkungen bei der Entwicklung des individuellen Systemdesigns spielen hier ebenfalls eine wichtige Rolle.

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Ziele durch internationale Standards effizienter erreichen

Mit dem Launch der COM-HPC-Serverspezifikation der PICMG wurde diese langjährige Best Practice für Client-Systeme nun in den Anwendungsbereich der industrietauglichen Edge-Server-Designs transponiert. Und mit der Verfügbarkeit der Xeon-D-Prozessoren von Intel erhalten Entwickler nun erstmals Zugriff auf reale Produkte dieses Standards. Sie sind für Edge-Server-Entwickler vor allem deshalb äußerst interessant, weil sie sie als applikationsfertige Embedded-Computing-Logik auf ihre individuellen Carrierboards implementieren können. Sie müssten sich dann nicht mehr mit der Basistechnologie des Prozessors auseinandersetzen und könnten sich stattdessen auf die applikationsspezifischen Anforderungen konzentrieren – also welche Schnittstellen wo und wie auf dem Carrierboard auszuführen sind. Hierzu hat die PICMG kürzlich auch den COM-HPC Carrier Design Guide veröffentlicht, der Entwicklern ein umfassendes Regelwerk zur Carrierboard-Entwicklung an die Hand gibt. Das erleichtert den Einstieg in den neuen Standard deutlich.

Robuste Edge-Server-Designs vereinfacht

Um diesen Lernprozess nochmals deutlich zu beschleunigen, bieten Embedded-Computing-Hersteller auch Online- und On-Site-Trainings an. In der Training Academy von Congatec wird etwa auf erforderliche und empfohlene Designprinzipien und Best-Practice-Schemata für COM-HPC-Carrierboards eingegangen oder wie zum Beispiel robuste lüfterlose High-End-Kühllösungen bei Serverdesigns mit einer TDP von 100 Watt auszulegen sind. COM-HPC Evaluation Carrierboards und mit auf Intels Xeon-D-Prozessoren basierenden COM-HPC-Servermodulen dienen während der Schulung als Referenzplattform. Sie unterstützen den vollen Funktionsumfang dieses Standards. Entwickler können sie auch als Prototyp für ihre eigne Applikationsentwicklung nutzen.

Hauptziel der Congatec Training Academy ist es, Entwicklern das fundamentale Basiswissen für COM-HPC-Designs zu vermitteln: Von PCB-Layer-Prinzipien und Power-Management-Regeln bis hin zu Signalintegritätsanforderungen und der Komponentenauswahl. Sessions, speziell zu Kommunikationsschnittstellen, beleuchten zudem häufige Fehler und Schwierigkeiten beim anspruchsvollen Design von serieller Hochgeschwindigkeitskommunikation – von PCIe 4.0 und PCIe 5.0 über USB 3.2 Gen 2 und USB 4 mit Thunderbolt auf USB-C bis hin zu Ethernet mit 100 Gigabit. Auch das Management von Sideband-Signalen für die 10G / 25G / 40G / 100G Ethernet-KR-Schnittstellen, die in COM-HPC auf dem Carrierboard deserialisiert werden müssen, ist ein Thema. Zudem werden auch Best-Practice-Designs für Schnittstellenstandards wie eSPI, I²C und GPIOs vorgestellt. Beispielhafte x86-Modul-Firmware-Implementierung und Embedded BIOS, Board-Management- und Module-Management-Controller-Funktionen runden diese Carrierboard-Design-Session ab.

Die Training Academy bietet auch Sessions zu Verifikations- und Teststrategien, mit denen Entwickler die häufigsten Herausforderungen – von der Entwicklung bis zur Serienproduktion – leichter bewerkstelligen können. Ein solch umfassendes Schulungsangebot hilft, den Einstieg in das Design von Rugged-Edge-Server-Technologie zu vereinfachen und zu beschleunigen. Selbstverständlich können Unternehmen wie Congatec mit ihrem weitreichenden Partnernetzwerk für OEM-Kunden alternativ auch mit kompletten Systemdesigns auf Basis des neuen COM-HPC-Standards bedienen.

Beschleunigte Edge-Server-Workloads

Die neuen Server-on-Modules im Formfaktor COM-HPC Server Size E und Size D mit Intels Xeon-D-Prozessoren (Codename Ice Lake D) überzeugen jedoch nicht nur durch ihren Support des erweiterten Temperaturbereichs von –40 bis 85 °C. Sie können die nächste Generation von Real-Time-Microserver-Workloads gegenüber den bislang für raue Umgebungen und erweiterte Temperaturbereiche verfügbaren Optionen auch erheblich beschleunigen. Sie bieten hierfür bis zu 20 Cores, bis zu 1 TB Speicher auf bis zu acht DRAM-Sockeln bei 2.933 MT/s, insgesamt bis zu 47 PCIe-Lanes – von denen 32 als PCIe Gen4-Lanes ausgeführt sind und damit doppeltem Durchsatz pro Lane gegenüber PCIe Gen3 bieten – sowie Ethernet-Konnektivität bis hin zu 100 GbE und inklusive TCC/TSN-Support. Videostorage- und -Analytikserver profitieren außerdem vom integrierten Intel AVX-512-, VNNI- und OpenVINO-Support für KI-basierte Datenanalysen.

Wendepunkt für Echtzeit- Edge-Server-Designs

Die Markteinführung der auf Intels Ice Lake D basierenden COM-HPC Server-on-Modules stellt somit aus gleich drei Gründen einen Durchbruch dar: Erstens können die Intel-Xeon-D-Server-on-Modules durch die Unterstützung des erweiterten Temperaturbereichs neben den typischen Industrie­umgebungen nun auch Applikationen im Außenbereich und im Automobilsektor abdecken; zweitens ermöglichen diese COM-HPC Server-on-Modules, die als erste ihrer Art gelten, jetzt eine Core-Anzahl von bis zu 20 Cores und unterstützen zusammen mit bis zu acht DRAM-Sockeln eine im Vergleich zu bisherigen Server-on-Modules anderer PICMG-Spezifikationen eine deutlich größere Speicherbandbreite. Drittens bieten die Server-Module Echtzeitfähigkeiten sowohl in Bezug auf die Prozessorkerne als auch auf TCC/TSN-fähiges Echtzeit-Ethernet, was für die Digitalisierung in IIoT- und Industrie-4.0-Projekte essenziell ist.

Damit Entwickler mehrere deterministische Echtzeit-Applikationen unabhängig voneinander auf einem einzigen Edge-Server konsolidieren können, sollten die Plattformen echtzeitfähige virtuelle Maschinen unterstützen, wie sie zum Beispiel von Real-Time Systems RTS-Hypervisor bereitgestellt werden. Dadurch wird Industrie-4.0-Fabriken am Edge ihrer privaten 5G-Netze die Möglichkeit geboten, heterogene Echtzeitapplikationen auf einer einzigen Serverpattform zu hosten und Systemressourcen den jeweiligen Prozessen exklusiv zuzuweisen. Die von Congatec angebotenen Server-on-Modules sind bereits dafür vorbereitet, diese Dienste zu unterstützen. Zu den angebotenen Standardservices für COM-HPC-Module zählen zudem applikationsspezifische Installationen mit allen nötigen Parametrierungen.

Schlussendlich überzeugen die neuen COM-HPC Server-on-Modules auch durch ihre serverbasierenden Funktionen: Für geschäftskritische Designs bieten sie robuste Hardware-Sicherheitsfunktionen wie den Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption-Multi-Tenant (Intel TME-MT) und Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Für eine optimale Reliability-Accessibility- and Serviceability (RAS)-Leistung unterstützen die Prozessormodule zudem die Intel ME Manageability Engine und sind konform zu den Remote-Hardware-Management-Standards wie IPMI und Redfish entwickelt, wie sie von der PICMG spezifiziert wurden. Die Einhaltung dieser Spezifikationen trägt schlussendlich auch zur Sicherstellung der Interoperabilität bei und ist auch ein weiteres Thema, das in den Schulungen der Congatec Training Academy abgehandelt wird.

Auswahl an Server-on-Modules mit Intels Xeon D

Die neuen Module sind in High-Core-Count (HCC)- und Low-Core-Count (LCC)-Varianten der Xeon-D-Prozessorserie von Intel erhältlich:

  • Die COM-HPC Server-Size-E-Module (conga-HPC/sILH) werden mit 5 verschiedenen Intel-Xeon-D-27xx-HCC-Prozessoren mit wahlweise 4 bis 20 Kernen, 8 DIMM-Sockeln für bis zu 1 TByte 2933 MT/s schnellen DDR4-Speicher mit ECC, 32x PCIe 4.0 und 16x PCIe 3.0 sowie 100-GbE-Durchsatz plus echtzeitfähigem 2,5 Gbit/s Ethernet mit TSN- und TCC-Unterstützung bei einer Prozessorgrundleistung von 65 bis 118 Watt ausgestattet sein.
  • Die COM-HPC Server-Size-D-Module sowie auch Module nach dem etablierten COM-Express-Type-7-Standard werden mit 5 verschiedenen Intel-Xeon-D-17xx-LCC-Prozessoren mit wahlweise 4 bis 10 Kernen ausgeliefert. Während das COM Express Server-on-Module conga-B7Xl bis zu 128 GB DDR4 2666 MT/s RAM über bis zu 4 SODIMM-Sockel unterstützt, bietet das COM-HPC Server-Size-D-Modul conga-HPC/SILL 8 DIMM-Sockel für bis zu 256 GB 2933 MT/s schnellen DDR4-RAM beziehungsweise 128 GB bei ECC-UDIMM-RAM. Beide Modul­familien bieten 16x PCIe 4.0- und 16x PCIe 3.0-Lanes. Für schnelle Netzwerke bieten sie bis zu 50-GbE-Durchsatz und TSN-TCC-Unterstützung über 2,5-Gbit/s-Ethernet bei einer Prozessorleistung von 40 bis 67 W.

Die neuen COM-HPC Server-on-Modules sind in applikationsfertigen Bemusterungslosen zusammen mit robusten Kühllösungen erhältlich, die an die Thermal Design Power (TDP) des Prozessors angepasst wurden und für eine adäquate Kühlung sorgen. Die Lösungen reichen von der leistungsstarken aktiven Kühlung mit Heatpipe-Adaptern bis zur vollständig passiven Kühllösung, um eine optimale mechanische Widerstands­fähigkeit gegen Vibrationen und Stöße zu erreichen und den thermischen Stress für Applikationen, die kurzzeitig hohe Temperaturschwankungen bewältigen müssen, zu mindern. Softwareseitig verfügen die Module über umfassende Board-Support-Pakete für Windows, Linux und VxWorks sowie für die RTS-Hypervisor-Technologie.

* Andreas Bergbauer ... ist Senior Product Line Manager Intel Xeon-D-Prozessoren bei Congatec.

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