Для обеспечения связи с клиентскими системами в режиме реального времени без задержек обработка данных обычно осуществляется на периферии коммуникационных сетей в средах периферийных вычислений, а не в центральных облачных средах. К сожалению, это создает проблему для производителей серверов, сетевого оборудования и систем хранения данных. До настоящего времени они неизменно выпускали решения на основе стоек для своих систем, где управление температурным режимом стоек и климат-контроль серверных помещений осуществлялись с помощью активной вентиляции и мощных систем кондиционирования воздуха. Однако эти методы больше не подходят для передовых серверных технологий.
ASHRAE (Американское общество инженеров по отоплению, охлаждению и кондиционированию воздуха) обладает значительным опытом практического внедрения периферийных серверов в суровых условиях. Общество также предложило разумные решения для обеспечения совместимости периферийных центров обработки данных с высокопроизводительными системами кондиционирования воздуха и наилучшей доступной изоляцией, чтобы защитить их от жары и холода.
Освобождение периферийных серверов от ограничений климат-контроля.
При этом ASHRAE рекомендует для оптимальной производительности периферийных центров обработки данных испытывать максимальное изменение температуры не более 20 градусов Цельсия в час и не более 5 градусов Цельсия в 15 минут. К сожалению, этого трудно достичь, поскольку для этого потребовались бы передовые технологии кондиционирования воздуха. Более того, эти рекомендации еще сложнее соблюсти при проведении технического обслуживания периферийных центров обработки данных, которые, например, меньше телефонной будки, поскольку производителям необходимо иметь возможность работать с этими решениями во время технического обслуживания и при любой температуре окружающей среды. Очевидно, что было бы непрактично быстро получить доступ к этим системам с помощью замка управления, а затем спешно закрыть дверь для проведения технического обслуживания в полностью климатически контролируемом помещении периферийных серверов.
Поэтому в суровых условиях периферийные серверы и центры обработки данных требуют системных решений, которые более эффективно управляют колебаниями температуры и могут работать в гораздо более широком диапазоне температур, чем диапазон 0-40 градусов Цельсия, обычно рекомендуемый для внутреннего вычислительного оборудования. Вместо этого крайне важно стремиться к созданию встраиваемых систем, способных функционировать при температурах окружающей среды от -40°C в Арктике до 85°C, характерных для промышленных условий. Следовательно, каждый компонент должен быть соответствующим образом оценен.
Конструкции следующего поколения могут помочь снизить затраты на охлаждение.
Технология процессоров является наиболее важным аспектом проектирования серверов, сетевых и запоминающих устройств следующего поколения. Необходимость соблюдения директив ASHRAE — и, следовательно, необходимость значительных инвестиций в технологии охлаждения и изоляции, а также в эксплуатационные расходы, связанные с вторичным энергопотреблением, — полностью зависит от этой технологии. В качестве альтернативы производители могут сосредоточиться на других типах систем, которые не требуют таких усилий для эффективной работы в экстремальных температурах и могут быть более экономично развернуты в суровых условиях. Примерами таких систем являются заводские установки, наружное оборудование для связи, видеонаблюдения и другой критически важной инфраструктуры, а также серверы в мобильных системах, от поездов и самолетов до автономных автобусов в умных городах.
С появлением процессоров Xeon D появилась надежная серверная технология, способная работать в широком диапазоне температур от -40°C до 85°C. Таким образом, высокопроизводительные серверные системы могут также преодолеть жесткие тепловые ограничения серверных помещений с кондиционированием воздуха и быть развернуты везде, где требуется огромная пропускная способность данных без задержек на периферии предприятий, работающих в сфере Интернета вещей и Индустрии 4.0.
Многочисленные специфические требования к проектированию системы.
Однако надежность периферийного сервера определяется не только его процессором. На самом деле, для удовлетворения потребностей систем, предназначенных для работы в суровых условиях, необходимы также обширные технологические знания. Каждое устройство должно быть оценено соответствующим образом, и особое внимание следует уделить конструкции печатной платы и плат, а также специальным покрытиям, защищающим от конденсации и других воздействий окружающей среды. Кроме того, необходимы дополнительные строгие меры защиты от внешних электромагнитных и высокочастотных сигналов, которые могут повлиять на производительность устройства.
Что касается встраиваемых вычислительных технологий, такие производители, как Congatec, обладают значительным опытом в проектировании таких систем, поскольку они часто интегрируют основные технологии ПК, такие как процессоры Intel Core, во встраиваемые системы таким образом, чтобы это было совместимо с промышленным использованием. Разработчики хорошо осведомлены о требованиях и стандартах сертификации, установленных в различных отраслях, и привыкли создавать долговечные системы, отвечающие отраслевым требованиям и способные предлагать OEM-решения с идентичными конфигурациями плат в течение 7-15 лет. Что касается промышленного применения, разработчики понимают, что эти модели существенно отличаются от типичных офисных систем, поскольку промышленное применение часто требует определенного уровня масштабируемости, что делает модульные конструкции с использованием COM-модулей идеальным способом разработки плат. Наконец, разработчики осознают важность стандартизации, и поэтому для этих модулей были разработаны международные стандарты.
Более эффективное достижение целей благодаря стандарту:
этот богатый опыт теперь применяется на практике в области разработки готовых к использованию в промышленности периферийных серверных решений с помощью спецификации COM-HPC, и разработчики теперь имеют беспрецедентный доступ к реальным продуктам с появлением процессоров Intel Xeon D. В контексте стандарта COM-HPC новые серверные модули очень полезны для разработчиков, которые могут интегрировать модули в качестве готовой к применению встроенной вычислительной логики на своих материнских платах. Таким образом, им не нужно беспокоиться о базовой процессорной технологии, и они могут сосредоточиться на спецификациях, касающихся размещения компонентов и реализации интерфейсов в правильных местах на материнской плате. Именно по этой причине комитет по стандартизации PICMG недавно принял руководство по проектированию несущих плат COM-HPC. В конечном итоге, оно имеет фундаментальное значение для создания интерактивных и оптимизируемых встроенных вычислительных платформ, специфичных для каждого клиента, на основе нового стандарта, а также для облегчения процесса обучения разработчиков, стремящихся ознакомиться с логикой стандарта.
Упрощенные и надежные конструкции периферийных серверов.
Для дальнейшего упрощения процесса компания congatec предлагает разработчикам всестороннее ознакомление с принципами проектирования в рамках своей недавно созданной онлайн- и очной академии обучения проектированию серверов и клиентов на основе COM-HPC. Эта возможность позволяет разработчикам участвовать в занятиях под руководством экспертов по проектированию высокопроизводительных встраиваемых и периферийных систем на основе нового стандарта Computer-on-Module (COM). В ходе обучения инструкторы рассматривают необходимые и рекомендуемые основы проектирования, а также лучшие практики для материнских плат и аксессуаров COM-HPC, таких как высокопроизводительные системы принудительного воздушного охлаждения, для серверных конструкций, мощность которых достигает и даже превышает 100 Вт. Оценочные материнские платы для серверных модулей COM-HPC служат эталоном для обучения работе с процессором Intel Xeon D. 
Они предоставляют полный набор функций, которые разработчики могут использовать для прототипирования платформ при необходимости дальнейшей разработки приложений.
Основная цель учебной академии Congatec — ознакомить разработчиков с основными принципами проектирования COM-HPC, включая, помимо прочего, принципы работы печатных плат, правила управления питанием и требования к целостности сигналов, а также выбор компонентов. Специальные занятия по коммуникационным интерфейсам освещают наиболее распространенные ошибки и трудности, возникающие при сложном проектировании высокоскоростных последовательных коммуникаций, от PCIe Gen 4 и 5 до USB 3.2 Gen 2 и USB 4 с Thunderbolt через USB-C, до 100-гигабитного Ethernet, а также управление боковыми сигналами для интерфейсов Ethernet 10G/25G/40G/100G KR, которые должны десериализоваться на материнской плате в COM-HPC. Наконец, эти занятия также показывают, как лучшие практики проектирования используют стандарты интерфейсов, такие как eSPI, I²C и GPIO.
Демонстрации реализации микропрограммного обеспечения модуля x86 со встроенным BIOS, контроллером управления платой и функциями контроллера управления модулем завершают обучение проектированию. Наконец, обучение также включает презентации по стратегиям верификации и тестирования, чтобы осветить различные возникающие проблемы, такие как проблемы с проверкой первоначального дизайна материнской платы и тестированием в массовом производстве. Благодаря всестороннему обучению, предлагаемому Академией congatec, компания помогает упростить проектирование защищенных периферийных серверных технологий. Кроме того, congatec и ее обширная партнерская сеть могут предоставлять OEM-заказчикам полные системные проекты на основе новых серверных модулей COM-HPC.
Преодолейте барьеры с помощью ускоренных рабочих нагрузок на периферийных серверах
. Новые серверные модули COM-HPC размеров E и D с процессорами Intel Xeon D BGA, первоначально известные как Ice Lake D, не только поддерживают расширенный температурный диапазон от -40°C до 85°C, но и избавляют предыдущие периферийные серверы от многих ограничений, значительно ускоряя рабочие нагрузки микросерверов реального времени следующего поколения в суровых условиях и в расширенном температурном диапазоне. Обновление включает до 20 ядер, до 1 ТБ памяти в 8 разъемах DRAM со скоростью 2933 МТ/с, до 47 линий PCIe на модуле, из которых 32 линии PCIe Gen 4 обеспечивают вдвое большую пропускную способность на линию, а также подключение до 100 Гбит/с Ethernet и поддержку TCC/TSN. Серверы хранения видео и аналитики также выигрывают от поддержки Intel AVX-512, VNNI и OpenVINO для анализа данных на основе ИИ.
Поворотный момент в проектировании серверов реального времени на периферии сети.
В этом отношении запуск серверных модулей COM-HPC на базе процессоров Ice Lake D представляет собой значительный шаг вперед благодаря трем ключевым аспектам: (1) благодаря поддержке расширенного температурного диапазона серверные модули Intel Xeon D теперь могут использоваться в условиях наружного применения и автомобильной промышленности, помимо типичных промышленных условий; (2) первые в своем роде серверные модули COM-HPC теперь позволяют достичь беспрецедентного количества ядер — 20, и вместе с 8 разъемами DRAM обеспечивают значительно большую пропускную способность памяти, чем это было возможно ранее с серверными модулями других спецификаций PICMG; (3) эти серверные модули обеспечивают возможности реального времени в отношении процессорных ядер и Ethernet реального времени с поддержкой TCC/TSN, что имеет фундаментальное значение для цифровизации в проектах IIoT и Industry 4.0. 0.
Для успешного обеспечения балансировки и консолидации серверов для детерминированных серверных установок реального времени на периферии сети, способных запускать несколько приложений реального времени отдельно на одном периферийном сервере, платформы должны поддерживать виртуальные машины, способные работать в режиме реального времени, например, те, которые предоставляет гипервизор Real-Time Systems RTS. Это позволит предприятиям Индустрии 4.0 на периферии их частных сетей 5G развертывать различные приложения реального времени на единой серверной платформе и выделять системные ресурсы исключительно для выделенных процессов. Серверные модули, предлагаемые congatec, уже подготовлены для поддержки этих сервисов. congatec также добавляет такие возможности, наряду со всеми необходимыми конфигурациями, к уже обширному списку типичных сервисов, предлагаемых для новых модулей COM-HPC.
Модули также впечатляют своими характеристиками серверного уровня: для критически важных бизнес-процессов они предлагают надежные функции аппаратной безопасности, такие как Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption-Multi-Tenant (Intel TME-MT) и Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Для обеспечения оптимальной надежности, доступности и удобства обслуживания (RAS) процессорные модули включают в себя Intel ME Manageability Engine и совместимы с приложениями удаленного управления оборудованием, такими как IPMI и Redfish, в соответствии с требованиями PICMG. Это помогает обеспечить совместимость и является еще одной темой, рассматриваемой на учебных занятиях в Академии congatec.
Варианты серверных модулей для Intel Xeon D:
Новые модули будут доступны как в варианте с большим количеством ядер (HCC), так и в варианте с малым количеством ядер (LCC) процессоров Intel Xeon D:
• Модули COM-HPC Server Size E (conga-HPC/sILH) состоят из пяти различных процессоров Intel Xeon D 2700 HCC с возможностью выбора от 4 до 20 ядер и базовой потребляемой мощностью от 65 до 118 Вт. Они всегда включают восемь разъемов DIMM для установки до 1 ТБ быстрой памяти DDR4 2933 МТ/с с ECC, 32x PCIe Gen 4 и 16x PCIe Gen 3, а также пропускную способность 100 Гбит/с Ethernet и 2,5 Гбит/с Ethernet с возможностью работы в реальном времени и поддержкой TSN и TCC.
Модули COM-HPC Server Size D и модули COM Express Type 7, соответствующие стандарту, включают пять различных процессоров Intel Xeon D 1700 LCC с возможностью выбора от 4 до 10 ядер и базовой мощностью процессора от 40 до 67 Вт. Модули conga-B7Xl COM Express поддерживают до 128 ГБ оперативной памяти DDR4 2666 МТ/с через до четырех разъемов SODIMM, в то время как модуль conga-HPC/SILL COM-HPC Server Size D предлагает четыре разъема DIMM для установки до 256 ГБ быстрой оперативной памяти DDR4 2933 МТ/с или 128 ГБ оперативной памяти ECC UDIMM. Оба модуля имеют 16 линий PCIe Gen 4 и 16 линий PCIe Gen 3. Для высокоскоростной сети они обеспечивают пропускную способность до 50 Гбит/с Ethernet и поддержку TSN TCC по сети Ethernet 2,5 Гбит/с.
Модули доступны в виде готовых к применению оценочных образцов вместе с надежными решениями для охлаждения, соответствующими TDP процессора. Решения включают высокопроизводительное активное охлаждение с адаптерами тепловых трубок, а также полностью пассивные решения для охлаждения, обеспечивающие оптимальную механическую устойчивость к вибрации и ударам, а также для снижения теплового напряжения в приложениях, которые должны выдерживать кратковременные высокие перепады температуры. Что касается программного обеспечения, новые модули поставляются с комплексными пакетами поддержки плат для Windows, Linux и VxWorks, а также технологией гипервизора RTS.
Автор*: Андреас Бергбауэр — старший менеджер по продуктовой линейке процессоров Intel Xeon-D в компании congatec.
BU3: Пограничный сервер с тремя модулями COM-HPC для особо ресурсоемких задач реального времени.
Конструкции пограничных серверов COM-HPC не ограничиваются одномодульными конфигурациями. Прототипы также напрямую поддерживают многомодульные системы с различными конфигурациями модулей COM-HPC, например, с FPGA или вычислительными ускорителями GPGPU. Модули сервера и клиента COM-HPC также могут использоваться вместе на одной плате. Например, в сотрудничестве с Билефельдским университетом и Christmann IT компания congatec в настоящее время разрабатывает конструкцию пограничного сервера, которая объединяет несколько различных модулей COM-HPC на одной плате для обработки чрезвычайно ресурсоемких задач реального времени в многосистемной среде консолидации для кластеризации машинного обучения с использованием высокоразмерных данных (самоорганизующиеся карты).
BU4: Типичные конструкции материнских плат имеют стандартные интерфейсы только на задней панели (задние разъемы ввода/вывода). Следовательно, их пригодность для промышленных периферийных серверов для Интернета вещей ограничена. Кроме того, они не рассчитаны на работу в широком диапазоне температур от -40°C до +85°C и не имеют срока службы от 7 до 15 лет. В отличие от этого, в случае с серверными модулями производители могут использовать механические особенности этих форм-факторов и проектировать материнские платы таким образом, чтобы обеспечить внедрение необходимых интерфейсов там, где они требуются.
BU5: Процессоры Intel Xeon D на серверах COM-HPC размеров E и D имеют разное количество разъемов для оперативной памяти, что также влияет на размер модулей.
