Pour faciliter une communication en temps réel et sans latence avec les systèmes clients, les données sont généralement traitées en périphérie des réseaux de communication, dans des environnements de serveurs de périphérie, plutôt que dans des environnements cloud centralisés. Malheureusement, cela représente un défi pour les fabricants de serveurs, de réseaux et de technologies de stockage. Jusqu'à présent, ils ont systématiquement proposé des solutions en rack pour leurs systèmes, où la gestion thermique des racks et le contrôle climatique des salles serveurs étaient assurés par une ventilation active et une climatisation performante. Cependant, ces méthodes ne sont plus adaptées aux technologies de serveurs de pointe.
L'ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) possède une vaste expérience du déploiement pratique de serveurs de périphérie dans des environnements difficiles. La société a également formulé des propositions pertinentes pour garantir la compatibilité des centres de données de périphérie avec une climatisation haute performance et une isolation optimale, afin de les protéger des variations de température.
Libérer les serveurs Edge des contraintes de la climatisation.
L'ASHRAE recommande, pour des performances optimales, que les datacenters Edge subissent une variation de température maximale de 20 °C en une heure et de 5 °C en 15 minutes. Malheureusement, cela s'avère difficile à réaliser, car cela nécessiterait une technologie de climatisation avancée. De plus, ces recommandations sont encore plus difficiles à respecter lors de la maintenance de datacenters Edge de taille réduite, par exemple par rapport à une cabine téléphonique. En effet, les fabricants doivent pouvoir intervenir sur ces solutions pendant la maintenance, quelle que soit la température ambiante. Il serait évidemment impossible d'accéder rapidement à ces systèmes par un système de verrouillage, puis de refermer aussitôt la porte pour effectuer la maintenance dans une salle serveur Edge climatisée.
Par conséquent, dans les environnements difficiles, les serveurs Edge et les datacenters nécessitent des systèmes capables de gérer plus efficacement les variations de température et de fonctionner sur une plage de températures bien plus large que celle de 0 à 40 °C généralement recommandée pour les équipements informatiques d'intérieur. Il est donc impératif de concevoir des systèmes embarqués capables de fonctionner à des températures ambiantes allant de -40 °C en Arctique à 85 °C, températures plus courantes dans les environnements industriels. Par conséquent, chaque composant doit être évalué en conséquence.
Les conceptions de nouvelle génération peuvent contribuer à réduire les coûts de refroidissement.
La technologie des processeurs est l'aspect le plus critique de la conception des serveurs, des réseaux et des technologies de stockage de nouvelle génération. La nécessité de respecter les directives ASHRAE – et donc d'investir massivement dans les technologies de refroidissement et d'isolation, ainsi que dans les coûts d'exploitation liés à la consommation d'énergie secondaire – dépend entièrement de cette technologie. Les fabricants peuvent également choisir de se concentrer sur d'autres types de systèmes qui ne requièrent pas de tels efforts pour fonctionner efficacement à des températures extrêmes et qui peuvent être déployés à moindre coût dans des environnements difficiles. Parmi ces systèmes, on peut citer les installations en usine, les équipements extérieurs de communication, de vidéosurveillance et autres infrastructures critiques, ainsi que les serveurs embarqués dans des systèmes mobiles, des trains et avions aux navettes autonomes des villes intelligentes.
Depuis l'introduction des processeurs Xeon D, une technologie de serveur robuste a émergé, capable de fonctionner dans une large plage de températures, de -40 °C à 85 °C. Par conséquent, les serveurs hautes performances peuvent s'affranchir des contraintes thermiques des salles serveurs climatisées et être déployés partout où un débit de données massif et sans latence est nécessaire, à la périphérie de l'Internet des objets et des usines de l'Industrie 4.0.
Exigences multiples et spécifiques pour la conception de systèmes.
Cependant, un serveur de périphérie robuste ne se définit pas uniquement par son processeur. En effet, une expertise technologique approfondie est essentielle pour répondre aux besoins des systèmes destinés aux environnements difficiles. Chaque unité doit être évaluée en conséquence, et une attention particulière doit être portée à la conception des circuits imprimés et des cartes, ainsi qu'aux revêtements spécifiques protégeant contre la condensation et autres agressions environnementales. De plus, des mesures rigoureuses supplémentaires sont nécessaires pour se prémunir contre les signaux électromagnétiques externes et les signaux haute fréquence susceptibles d'affecter les performances du dispositif.
Concernant les technologies informatiques embarquées, des fabricants comme Congatec possèdent une vaste expérience dans la conception de ces systèmes. Ils intègrent fréquemment des technologies PC essentielles, telles que les processeurs Intel Core, dans des systèmes embarqués compatibles avec un usage industriel. Les développeurs connaissent parfaitement les exigences de certification et les normes établies dans divers secteurs et sont habitués à créer des systèmes durables répondant aux exigences industrielles. Ils peuvent proposer des solutions OEM avec des configurations de cartes identiques pendant 7 à 15 ans. Pour les applications industrielles, ils savent que les modèles diffèrent sensiblement des systèmes bureautiques classiques, car ces applications requièrent souvent une certaine évolutivité. C'est pourquoi les conceptions modulaires avec modules COM constituent la solution idéale pour le développement de cartes. Enfin, les développeurs reconnaissent l'importance de la normalisation et, par conséquent, des normes internationales ont été largement élaborées pour ces modules.
L'efficacité accrue grâce à la norme :
cette riche expérience se concrétise désormais dans le domaine des serveurs de périphérie prêts à l'emploi grâce à la spécification COM-HPC. Avec l'arrivée des processeurs Intel Xeon D, les développeurs bénéficient d'un accès sans précédent à des produits concrets. Dans le cadre de la norme COM-HPC, les nouveaux modules serveur présentent un avantage considérable pour les développeurs, qui peuvent les intégrer comme logique de calcul embarquée prête à l'emploi sur leurs cartes mères. Ainsi, ils n'ont plus à se soucier de la technologie du processeur sous-jacent et peuvent se concentrer sur les spécifications relatives au placement des composants et à l'implémentation des interfaces aux emplacements appropriés sur la carte mère. C'est pourquoi le comité de normalisation PICMG a récemment adopté le Guide de conception des supports COM-HPC. Ce guide est fondamental pour la création de plateformes informatiques embarquées interactives et optimisables, spécifiques à chaque client, basées sur la nouvelle norme, et pour faciliter l'apprentissage des développeurs qui souhaitent se familiariser avec sa logique.
Conception simplifiée et robuste de serveurs Edge.
Afin de simplifier davantage les choses, congatec accompagne les développeurs en proposant une introduction complète aux principes de conception via sa nouvelle académie de formation en ligne et en présentiel dédiée aux serveurs et clients COM-HPC. Cette formation permet aux développeurs de participer à des cours animés par des experts sur la conception de systèmes embarqués et Edge haut de gamme basés sur la nouvelle norme Computer-on-Module (COM). Les formateurs passent en revue les fondamentaux de conception requis et recommandés, ainsi que les bonnes pratiques pour les cartes mères et accessoires COM-HPC, tels que les solutions de refroidissement par air forcé haut de gamme, pour les serveurs atteignant et dépassant les 100 watts. Les cartes mères d'évaluation pour modules serveurs COM-HPC servent de référence pour la formation à l'implémentation du processeur Intel Xeon D. 
Elles offrent l'ensemble des fonctionnalités nécessaires aux développeurs pour le prototypage de plateformes en vue de développements applicatifs ultérieurs.
L'objectif principal de l'académie de formation congatec est d'initier les développeurs aux fondamentaux essentiels de la conception COM-HPC, notamment les principes de conception des couches PCB, les règles de gestion de l'alimentation, les exigences d'intégrité du signal et la sélection des composants. Des sessions dédiées aux interfaces de communication abordent les erreurs et difficultés les plus courantes rencontrées lors de la conception complexe de communications série haut débit, allant du PCIe Gen 4 et 5 à l'USB 3.2 Gen 2 et à l'USB 4 avec Thunderbolt sur USB-C, jusqu'à l'Ethernet 100 Gigabit, ainsi que la gestion des signaux de bande latérale pour les interfaces Ethernet KR 10G/25G/40G/100G qui doivent être désérialisés sur la carte mère dans les environnements COM-HPC. Ces sessions mettent également en lumière les bonnes pratiques d'utilisation des normes d'interface telles que l'eSPI, l'I²C et les GPIO.
Des démonstrations de l'implémentation du firmware du module x86 avec BIOS embarqué, contrôleur de gestion de carte et contrôleur de gestion de module concluent la formation. Enfin, des présentations sur les stratégies de vérification et de test soulignent les différents défis rencontrés, tels que la vérification de la conception initiale de la carte mère et les tests de production en série. Grâce à cette formation complète proposée par la congatec Academy, congatec contribue à simplifier la conception de technologies de serveurs périphériques robustes. De plus, congatec et son vaste réseau de partenaires peuvent fournir aux clients OEM des conceptions de systèmes complètes basées sur les nouveaux modules de serveur COM-HPC.
Dépassez les limites grâce à l'accélération des charges de travail des serveurs de périphérie
. Les nouveaux modules serveurs COM-HPC de tailles E et D, équipés de processeurs Intel Xeon D BGA (initialement appelés Ice Lake D), prennent en charge une plage de températures étendue de -40 °C à 85 °C et libèrent les serveurs de périphérie précédents de nombreuses limitations. Ils accélèrent ainsi considérablement les charges de travail des microserveurs temps réel de nouvelle génération, même dans des environnements difficiles et sur une large plage de températures. Cette mise à niveau comprend jusqu'à 20 cœurs, jusqu'à 1 To de mémoire répartie sur 8 emplacements DRAM à 2 933 MT/s, jusqu'à 47 lignes PCIe (dont 32 lignes PCIe Gen 4 offrant un débit deux fois supérieur par ligne), une connectivité jusqu'à 100 GbE et la prise en charge de TCC/TSN. Les serveurs de stockage et d'analyse vidéo bénéficient également de la prise en charge d'Intel AVX-512, VNNI et OpenVINO pour l'analyse de données basée sur l'IA.
Un tournant pour la conception de serveurs de périphérie temps réel.
À cet égard, le lancement des modules serveurs COM-HPC basés sur Ice Lake D représente une avancée majeure grâce à trois atouts clés : (1) la prise en charge d’une plage de températures étendue permet aux modules serveurs Intel Xeon D de répondre aux besoins des applications extérieures et automobiles, en plus des environnements industriels classiques ; (2) ces modules serveurs COM-HPC, une première en leur genre, offrent un nombre de cœurs sans précédent de 20 et, associés à jusqu’à 8 emplacements DRAM, une bande passante mémoire nettement supérieure à celle des modules serveurs d’autres spécifications PICMG ; (3) ces modules serveurs garantissent des capacités temps réel au niveau des cœurs de processeur et de l’Ethernet temps réel compatible TCC/TSN, un élément fondamental pour la numérisation dans les projets IIoT et Industrie 4.0.
serveurs temps réel déterministes en périphérie de réseau, capables d'exécuter plusieurs applications temps réel séparément sur un seul serveur, les plateformes doivent prendre en charge les machines virtuelles temps réel, telles que celles fournies par l'hyperviseur Real-Time Systems RTS. Ceci permettrait aux usines de l'Industrie 4.0, situées en périphérie de leurs réseaux 5G privés, de déployer diverses applications temps réel sur une plateforme serveur unique et d'allouer les ressources système exclusivement aux processus dédiés. Les modules serveur proposés par congatec sont déjà compatibles avec ces services. congatec ajoute également ces fonctionnalités, ainsi que toutes les configurations nécessaires, à la liste déjà exhaustive des services qu'elle propose pour les nouveaux modules COM-HPC.
Ces modules impressionnent également par leurs fonctionnalités de niveau serveur : pour les applications critiques, ils offrent des fonctions de sécurité matérielle robustes telles qu’Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption-Multi-Tenant (Intel TME-MT) et Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Pour une fiabilité, une accessibilité et une facilité de maintenance (RAS) optimales, les modules de processeur intègrent le moteur de gestion Intel ME et sont compatibles avec les applications de gestion matérielle à distance telles qu’IPMI et Redfish, conformément aux spécifications du PICMG. Ceci garantit l’interopérabilité et fait l’objet d’une autre formation dispensée par la Congatec Academy.
Options de modules serveur pour Intel Xeon D :
Les nouveaux modules seront disponibles en versions à grand nombre de cœurs (HCC) et à faible nombre de cœurs (LCC) de la gamme de processeurs Intel Xeon D :
• Les modules COM-HPC Server Size E (conga-HPC/sILH) intègrent cinq processeurs Intel Xeon D 2700 HCC différents, offrant de 4 à 20 cœurs et une consommation électrique de base comprise entre 65 et 118 watts. Ils comprennent systématiquement huit emplacements DIMM pour une mémoire DDR4 rapide de 2 933 MT/s avec correction d’erreurs (ECC), 32 ports PCIe Gen 4 et 16 ports PCIe Gen 3, un débit de 100 GbE, ainsi qu’une interface Ethernet 2,5 Gb/s avec prise en charge temps réel, TSN et TCC.
Les modules serveur COM-HPC de taille D et les modules COM Express de type 7 intègrent cinq processeurs Intel Xeon D 1700 LCC différents, offrant de 4 à 10 cœurs et une consommation de base de 40 à 67 watts. Les modules serveur COM Express conga-B7Xl prennent en charge jusqu'à 128 Go de RAM DDR4 à 2 666 MT/s via quatre emplacements SODIMM, tandis que le module serveur COM-HPC/SILL de taille D propose quatre emplacements DIMM pour accueillir jusqu'à 256 Go de RAM DDR4 rapide à 2 933 MT/s ou 128 Go de RAM ECC UDIMM. Ces deux modules disposent de 16 lignes PCIe Gen 4 et de 16 lignes PCIe Gen 3. Pour les réseaux haut débit, ils offrent un débit jusqu'à 50 GbE et la prise en charge du protocole TSN TCC sur Ethernet 2,5 Gbit/s.
Les modules sont disponibles sous forme d'échantillons d'évaluation prêts à l'emploi, accompagnés de solutions de refroidissement robustes adaptées au TDP du processeur. Ces solutions incluent un refroidissement actif haute performance avec adaptateurs à caloducs, ainsi que des solutions de refroidissement entièrement passives pour une résistance mécanique optimale aux vibrations et aux chocs, et pour atténuer les contraintes thermiques dans les applications soumises à des fluctuations de température importantes et de courte durée. Côté logiciel, les nouveaux modules sont fournis avec des packages de support complets pour Windows, Linux et VxWorks, ainsi que la technologie d'hyperviseur RTS.
Auteur* : Andreas Bergbauer est chef de produit senior pour les processeurs Intel Xeon-D chez congatec.
BU3 : Serveur Edge avec trois modules COM-HPC pour les charges de travail temps réel particulièrement exigeantes.
Les serveurs Edge COM-HPC ne se limitent pas aux configurations mono-module. Les prototypes prennent également en charge les configurations multi-modules avec diverses options, notamment avec des FPGA ou des accélérateurs de calcul GPGPU. Les modules serveur et client COM-HPC peuvent être utilisés simultanément sur une même carte. Par exemple, en collaboration avec l’Université de Bielefeld et Christmann IT, congatec développe actuellement un serveur Edge intégrant plusieurs modules COM-HPC sur une seule carte. Ce serveur est conçu pour gérer des charges de travail temps réel extrêmement exigeantes dans un environnement de consolidation multi-systèmes, pour le clustering d’apprentissage automatique en intelligence artificielle de haute dimension (cartes auto-organisatrices).
BU4 : Les cartes mères classiques ne possèdent que des interfaces standard à l’arrière (E/S arrière). De ce fait, leur utilisation pour les serveurs industriels périphériques dédiés à l’Internet des objets est limitée. De plus, elles ne sont pas conçues pour supporter une large plage de températures (de -40 °C à +85 °C) et leur durée de vie est inférieure à 7 à 15 ans. À l’inverse, les modules serveur permettent aux fabricants d’exploiter les spécificités de ces formats et de concevoir la carte mère de manière à faciliter l’intégration des interfaces nécessaires là où elles sont requises.
BU5 : Le processeur Intel Xeon D sur les serveurs COM-HPC de taille E et de taille D possède un nombre différent de sockets RAM, ce qui affecte également la taille des modules.
