Edge Computing Wie Embedded-Servermodule Rechenzentren am Edge optimieren

Autor / Redakteur: Andreas Bergbauer* / Margit Kuther

Die Forderungen nach immer geringerer Latenz und Reduzierung des energiehungrigen Datentraffics über lange Strecken lässt den Bedarf nach Servertechnologie und Rechenzentren am Edge enorm steigen. Server-on-Modules können helfen.

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Bild 3: Das Congatec-Modul COM-HPC ist prädestiniert für die Entwicklung modularer Edge-Server-Technologie.
Bild 3: Das Congatec-Modul COM-HPC ist prädestiniert für die Entwicklung modularer Edge-Server-Technologie.
(Bild: congatec)

Da am Edge oft raue Umgebungsbedingungen herrschen und in diese Infrastruktur auch langfristiger investiert wird, bedarf es deutlich robusterer und langzeitverfügbarer Servertechnologien. Server-on-Modules nach den COM-HPC- und COM-Express-Standards bieten hierzu eine sehr effiziente Designgrundlage.

Laut IDC wird zukünftig, so eine Studie vom Februar 2020, die Hälfte der kritischen Infrastruktur von Unternehmen am Edge implementiert [1]. Infolge wird der globale Edge-Computing-Markt, der 2019 auf 3,5 Mrd. US-$ geschätzt wurde, mit einer prognostizierten jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von über 23% für den Zeitraum 2020 bis 2026 steigen, so Grand View Research [2]. Die vertikalen Märkte in diesem Segment sind dabei vielfältig: Einer der größten Teilmärkte ist hier die Telekommunikation als Enabler dieses Trends.

Allen voran die 5G-Technologien, die aufgrund der hohen Bandbreiten mehr Performance vor Ort vorhalten müssen. Hier werden auch zunehmend mehr Basisstationen benötigt, da die Anzahl der verwaltbaren Devices bei voller Bandbreitenausnutzung sinkt und auch die Funkreichweiten dieser Basisstationen gegenüber bisherigen Mobilfunkstandards geringer ist. Der IT&Telekom-Markt für Edge-Datenzenten wird einzig vom Markt des Colocation-Applikationen überflügelt, in dem es um ‚ins Netz‘ ausgelagerte Rechenzentren geht, die sich Unternehmen schlussendlich teilen. Diese beiden Segmente sind die mit Abstand größten und machen mit 54% mehr als die Hälfte des Gesamtmarkts aus.

Edge-Rechenzentren halten in vielen Bereichen Einzug

Der Bedarf an Edge-Rechenzenten wird aber auch im Bank- und Finanzsektor steigen, was verständlich ist, da digitale Transaktionen dank schnellerer Abrechnungsterminals und dem Bedarf nach kontaktlosen Technologien zunehmen. Auch im öffentlichen Sektor gibt es aufgrund von steigenden Sicherheitsanforderungen und dem Smart-City-Trend zunehmend Bedarf an Edge-Servertechnologie.

Ein weiteres Segment sind zunehmend bandbreitenstarke und möglichst latenzfreie Applikationen im Energiesektor und Gesundheitswesen sowie in dem für Deutschland so wichtigen Markt der Infrastruktur zum autonomen Fahren sowie der industriellen Fertigung. Die Fertigungsapplikationen auf dem europäischen Markt für Edge-Rechenzentren hatten im Jahre 2019 beispielswese einen Umsatzanteil von etwa 10% und werden bis 2026 voraussichtlich ein Wachstum von 20% verzeichnen [3].

Am Edge herrschen jedoch andere Bedingungen als in bisher wohlklimatisierten Serverräumen. Insbesondere kleinere Edge-Datencenter – teils auch Mini- und Micro- oder gar Pico-Rechenzentren genannt – werden vielfach im freien Feld in robust schützenden Outdoor-Schränken oder Containern installiert. Diese sind Wind und Wetter ausgesetzt und müssen damit möglichst umfassend vor Hitze, Kälte und Klimastürzen sowie Feuchtigkeit, Staub und – sofern Offshore eingesetzt – mitunter auch vor Salzwasser geschützt werden.

Die Ashra – der amerikanischstämmige Berufsverband für Heizungs-, Kühlungs-, Lüftungs- und Klimaanlagenbau, nach dessen Standards und Richtlinien sich viele Rechenzentren beim Serverraummanagement richten – hat deshalb jüngst auch in einem Bulletin des Technical Committees (TC) 9.9 Vorschläge gemacht, wie Ausfälle und Probleme verhindert werden können. Neben der Maßgabe, dass man Umgebungsbedingungen mit den Spezifikationen der Komponenten abgleichen sollte, wird hier im Wesentlichen aber nur darauf hingewiesen, dass man für Service und Wartungszwecke nicht mal so eben die Türen öffnen sollte, den so könne sehr heiße, kalte, feuchte oder staubige Luft zu schnell eindringen. Infolge definiert man, dass der maximal erlaubte Temperaturwechsel bei höchstens 20 K innerhalb einer Stunde und maximal 5 K in 15 Minuten liegen dürfe.

Bild 1: An Outdoor-Edge-Datacenter und Telco-Small-Cells sowie Edge-Server in kritischen Infrastrukturen der Energiewirtschaft und des Schienenverkehrs werden deutlich höher Anforderungen gestellt als an normale Severtechnologien. Deshalb kommen bei Ihnen vermehrt robuste Embedded Server Technologie zum Einsatz.
Bild 1: An Outdoor-Edge-Datacenter und Telco-Small-Cells sowie Edge-Server in kritischen Infrastrukturen der Energiewirtschaft und des Schienenverkehrs werden deutlich höher Anforderungen gestellt als an normale Severtechnologien. Deshalb kommen bei Ihnen vermehrt robuste Embedded Server Technologie zum Einsatz.
(Bild: Sergii-Figurnyi, Fedecandoniphoto Kriang-Phromphim, PhotoChur, Dreamstime)

Der Temperaturwechsel solle zudem auch nur kontinuierlich und nicht plötzlich erfolgen. Es scheint also ganz und gar so, als wolle man hier die schonenden Bedingungen für Serverräume auch in die Wüste oder auf die Offshore-Bohrinseln und Windparks übertragen.

Macht es alternativ aber nicht viel mehr Sinn, Edge-Server so zu entwickeln, dass man sie nicht wie ein rohes Ei behandeln muss und dass man infolge auch für die Klimatisierung nicht mehr ganz so viel Geld und Energie aufwenden muss, weil die Hardware in einem deutlich erweiterten Temperaturbereich betrieben werden kann und auch Temperaturschocks übersteht? Dies insbesondere dort, wo nicht mehrere Racks, sondern nur einige wenige Server redundant als Fog-Server-Farm arbeiten, um wirklich mit geringstmöglicher Latenz Echtzeitprozesse noch zuverlässig steuern zu können?

Bild 2: Edge-Data-Center-Märkte in Europa nach Branchen.
Bild 2: Edge-Data-Center-Märkte in Europa nach Branchen.
(Bild: Global Martket Insights)

Diesen Bedarf haben Prozessorhersteller wie AMD und Intel bereits erkannt. Aus diesem Grund kommen zunehmend mehr Entry-Class-Serverprozessoren auf dem Markt, die im Grunde ähnlich spezifiziert sind, wie Embedded-Prozessoren. Sie sind für den Einsatz in rauen Umgebungen als aufgelötete Prozessoren mit BGA-Sockel ausgelegt, können weitere Temperaturbereiche als die für Standard-IT abdecken. Sie erhalten zudem auch einen Support über sieben Jahre und mehr, was es OEM in diesem Segment erleichtert, eigene Produkte auf den Markt zu bringen und langfristig pflegen zu können.

Die Embedded Computing Community hat sich darüber hinaus ebenfalls dem Design robuster Fog- und Edge-Server gestellt und mit der COM-Express-Type-7-Spezifikation sowie mit dem neuen Standard COM-HPC-Server zwei Modul-Spezifikationen geschaffen, die exakt auf diese neue Prozessorgenerationen ausgelegt wurden. Sie sind dazu prädestiniert, insbesondere die vielen kleinen verteilten Edge- und Fog-Server-Installationen zu entwickeln, die man beispielsweise im Automobilsektor für die vielen kleinen Serverracks am Wegesrand der Autobahnen benötigt. Durch den Einsatz von Real-Time-Hypervisor-Technologien ermöglichen sie dabei ein perfektes Performance-Balancing. Zudem reduzieren sie erheblich die Gesamtbetriebskosten, da mit ihnen die Leistungsskalierung der nächsten Fog-Generation durch einen einfachen Wechsel des Prozessormoduls möglich wird, anstatt das gesamte Rackmout-System auszutauschen.

Nutzer wollen individuelle Rechenkapazitäten

Bild 4: Module von congatec unterstützen Echtzeit-Hypervisor-Technologie, wie die von Echtzeitsystemen, zur Konsolidierung mehrerer Applikationen auf einem System.
Bild 4: Module von congatec unterstützen Echtzeit-Hypervisor-Technologie, wie die von Echtzeitsystemen, zur Konsolidierung mehrerer Applikationen auf einem System.
(Bild: congatec)

Neben einem robusten Design, liegen die Herausforderung bei Echtzeit-Edge-Computing-Anwendungen auch darin, das beste Setup sowohl für die Fog-Dienste als auch für die über zeitsensitive Netzwerke verbundenen Edge-Geräte zu finden. Da an den Edges viele Aufgaben zu bewältigen sind, benötigen OEM-Kunden und professionelle Endanwender einen individuellen Mix der Rechenkapazitäten. Modularität ist also sowohl auf der Hardware- als auch auf der Softwareebene erforderlich, um perfekt zugeschnittene applikationsfertige Plattformen aus einer Hand liefern zu können.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 4/2021 (Download PDF)

Modularität auf der Hardwareebene ist seit vielen Jahren die Kernkompetenz von congatec. Die firmeneigene Hypervisor-Software für echtzeitfähige virtuelle Maschinen rundet das Plattformangebot für Fog-Server auf Softwareebene ab und schafft die Grundlage für weitere Entwicklungsschritte der OEMs zum Aufbau perfekt zugeschnittener Rugged Fogs. Das Unternehmen will sein Angebot deshalb in Zukunft durch die Unterstützung von Lösungspartnern für Vision, KI, VR, AR, Big Data Analytics und dedizierte Edge-Computing-Services erweitern.

Zudem sind auch Konfigurationen mit virtuellen Maschinen in der Evaluierung, um IoT-Gateway- und Sicherheitsfunktionen zur Erkennung von Schwachstellen, Angriffen und Anomalien oder kryptographische Funktionen anbieten zu können. Diese könnten sogar bis hin zu den Standards FIPS 140-2 Level 3 oder BSI Common Criteria EAL5 reichen, die in Hochsicherheitsanwendungen eingesetzt werden, was nicht unerheblich ist, denn mit zunehmender Digitalisierung sind die Daten in den Systemen auch das Öl unserer Zeit und damit viel Geld wert, was entsprechend hohen Schutz erfordert.

[1] https://www.idc.com/research/viewtoc.jsp?containerId=US45599219

[2] https://www.grandviewresearch.com/press-release/global-edge-computing-market

[3] https://www.gminsights.com/industry-analysis/edge-data-center-market

* Andreas Bergbauer ist Senior Product Line Manager bei der congatec AG.

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