边缘服务器的无限自由 - Convertronic 电子杂志

细节: 类别：嵌入式系统; 2022年6月30日

自从像康佳泰克这样的制造商将英特尔至强D处理器引入COM-HPC服务器模块以来，边缘服务器的部署就摆脱了空调服务器机房严格的散热限制，最终可以在需要大量数据吞吐量和尽可能低的延迟（甚至达到确定性实时）时使用。.

为了实现与客户端系统的实时、无延迟通信，数据通常在边缘计算服务器环境的通信网络边缘进行处理，而不是在中央云环境中处理。然而，这给服务器、网络和存储技术制造商带来了挑战。迄今为止，他们一直为其系统生产基于机架的解决方案，通过主动通风和强大的空调技术来管理机架的热管理和服务器机房的温控。但是，这些方法已无法满足尖端服务器技术的需求。
美国采暖、制冷与空调工程师协会 (ASHRAE) 在恶劣环境下部署边缘服务器方面拥有丰富的经验。该协会还提出了合理的建议，以确保边缘数据中心能够兼容高性能空调和最佳隔热材料，从而有效抵御高温和低温的影响。

摆脱边缘服务器对温度控制的限制。
尽管如此，ASHRAE 建议，为了获得最佳性能，边缘数据中心每小时的最大温度变化不应超过 20 摄氏度，15 分钟内的最大温度变化不应超过 5 摄氏度。然而，这很难实现，因为这需要先进的空调技术。此外，对于例如比电话亭还小的边缘数据中心进行维护时，这些准则的执行难度更大，因为制造商需要在维护阶段能够在任何环境温度下对这些解决方案进行操作。显然，使用控制锁快速访问这些系统，然后匆忙关上门以便在完全恒温控制的边缘服务器机房内进行维护是不切实际的。
因此，在恶劣环境下，边缘服务器和数据中心需要能够更有效地管理温度变化，并且能够在比室内计算设备通常推荐的 0-40 摄氏度更宽的温度范围内运行的系统设计。因此，必须致力于设计能够在从北极的-40°C到工业环境中常见的85°C高温等各种环境温度下正常运行的嵌入式系统。因此，每个组件都必须进行相应的评估。

下一代设计有助于降低冷却成本。
处理器技术是设计下一代服务器、网络和存储技术的关键所在。是否必须满足 ASHRAE 指令——以及是否必须对冷却和隔热技术以及与二次能源消耗相关的运营成本进行大量投资——完全取决于这项技术。或者，制造商可以选择专注于其他类型的系统，这些系统无需如此大费周章即可在极端温度下有效运行，并且可以更经济高效地部署在恶劣环境中。此类系统的例子包括工厂设施、用于通信、视频监控和其他关键基础设施的户外设备，以及从火车、飞机到智慧城市自动驾驶班车等移动系统中的服务器。
自 Xeon D 处理器问世以来，一种强大的服务器技术应运而生，可在 -40°C 至 85°C 的宽广温度范围内运行。因此，高性能服务器设计也可以摆脱空调机房严格的散热限制，并部署在物联网和工业 4.0 工厂边缘任何需要海量、零延迟数据吞吐量的地方。

系统设计有多项具体要求。
然而，稳健的边缘服务器并非仅由其服务器处理器决定。事实上，广泛的技术知识对于满足严苛环境下的系统设计需求也至关重要。每个单元都必须进行相应的评估，尤其需要关注电路板和卡的设计，以及能够防止冷凝和其他环境影响的特定涂层。此外，还需要采取额外的严格措施来防止可能影响设备性能的外部电磁和高频信号。
在嵌入式计算技术方面，像Congatec这样的制造商在设计此类系统方面拥有丰富的经验，因为他们通常将核心PC技术（例如Intel Core处理器）以与工业应用兼容的方式集成到嵌入式系统中。开发人员非常了解各个行业制定的认证要求和标准，并且习惯于创建满足行业要求的耐用系统，并能够提供7-15年内具有相同电路板配置的OEM解决方案。在工业应用方面，他们明白这些模型与典型的办公系统设计截然不同，因为工业应用通常需要一定程度的可扩展性，因此采用COM模块的模块化设计是开发电路板的理想方式。最后，开发人员认识到标准化的重要性，因此，这些模块已经制定了广泛的国际标准。

利用标准更高效地实现目标：
COM-HPC 服务器规范将丰富的经验应用于面向行业的边缘服务器设计领域，而随着英特尔® 至强® D 处理器的问世，开发人员现在能够以前所未有的方式接触到实际产品。在 COM-HPC 服务器标准的框架下，新的服务器模块对开发人员来说极具优势，他们可以将这些模块作为可直接用于应用的嵌入式计算逻辑集成到各自的主板上。这样，他们无需担心底层处理器技术，而是可以专注于与组件布局和接口在主板上的正确位置相关的规范。正因如此，PICMG 标准化委员会最近采纳了 COM-HPC 载板设计指南。最终，该指南对于基于新标准创建交互式、可优化的、针对每个客户的特定嵌入式计算平台至关重要，同时也有助于开发人员熟悉该标准的逻辑。

设计流程，congatec 通过其新成立的 COM-HPC 服务器和客户端设计线上线下
培训学院，为开发人员提供全面的设计原则入门指导。开发人员可以通过此机会参与由专家指导的课程，学习基于新型计算机模块 (COM) 标准的高端嵌入式和边缘系统设计。培训期间，讲师将回顾必要的和建议的设计基础知识，以及 COM-HPC 主板和配件（例如高端强制风冷解决方案）的最佳实践方案，这些方案适用于功耗达到甚至超过 100 瓦的服务器设计。COM-HPC 服务器模块的评估主板可作为 Intel Xeon D 处理器实现培训的基准。这些评估主板提供开发人员在需要进一步开发应用程序时可用于原型平台的全套功能。
康佳科技培训学院的主要目标是向开发人员介绍 COM-HPC 设计的基本原理，包括但不限于 PCB 层原理、电源管理规则、信号完整性要求以及元器件选择。专门的通信接口课程深入讲解了高速串行通信设计中最常见的错误和难点，涵盖了从 PCIe Gen 4 和 5 到 USB 3.2 Gen 2 和支持 Thunderbolt over USB-C 的 USB 4，再到 100 千兆以太网，以及 COM-HPC 主板上必须解串的 10G/25G/40G/100G KR 以太网接口的边带信号管理。此外，这些课程还重点介绍了最佳实践设计如何利用 eSPI、I²C 和 GPIO 等接口标准。最后，课程将演示
x86 模块固件的实现，包括嵌入式 BIOS、板级管理控制器和模块管理控制器的功能，以此作为设计培训的总结。最后，培训还包括验证和测试策略方面的讲解，重点介绍遇到的各种挑战，例如初始主板设计验证和批量生产测试方面的问题。凭借康佳科技学院提供的全面学习机会，康佳科技能够帮助简化加固型边缘服务器技术的设计。此外，康佳科技及其广泛的合作伙伴网络能够为OEM客户提供基于新型COM-HPC服务器模块的完整系统设计。

突破瓶颈，加速边缘服务器工作负载
。全新 COM-HPC Size E 和 Size D 服务器模块搭载英特尔® 至强® D BGA 处理器（最初称为 Ice Lake D），不仅支持 -40°C 至 85°C 的扩展温度范围，还突破了以往边缘服务器的诸多限制，显著提升了下一代实时微型服务器在严苛环境和扩展温度范围内的工作负载性能。此次升级包括高达 20 个内核、高达 1TB 的内存（最多 8 个 DRAM 插槽，吞吐量高达 2933MT/s）、高达 47 条 PCIe 通道（其中 32 条为 PCIe Gen 4 通道，每条通道吞吐量翻倍）、高达 100GbE 的连接以及 TCC/TSN 支持。视频存储和分析服务器也受益于对英特尔® AVX-512、VNNI 和 OpenVINO 的支持，从而实现基于 AI 的数据分析。

对于实时边缘服务器设计
而言，这是一个转折点。基于 Ice Lake D 的 COM-HPC 服务器模块的发布，主要体现在以下三个方面：(1) 由于支持更宽的温度范围，英特尔® 至强® D 服务器模块现在除了典型的工业环境外，还可以服务于户外和汽车应用；(2) 首创的 COM-HPC 服务器模块将核心数量提升至前所未有的 20 个，并支持多达 8 个 DRAM 插槽，从而提供远超以往其他 PICMG 规范服务器模块的内存带宽；(3) 这些服务器模块在处理器核心和支持 TCC/TSN 的实时以太网方面具备实时性能，这对于工业物联网 (IIoT) 和工业 4.0 项目的数字化至关重要。为了
成功实现边缘确定性实时服务器部署的服务器负载均衡和整合服务（即在单个边缘服务器上独立运行多个实时应用程序），平台必须支持具备实时能力的虚拟机，例如 Real-Time Systems (RTS) 虚拟机管理程序提供的虚拟机。这将使位于其私有 5G 网络边缘的工业 4.0 工厂能够在单个服务器平台上部署各种实时应用程序，并将系统资源严格分配给专用进程。congatec 提供的服务器模块已准备好支持这些服务。congatec 还将这些功能以及所有必要的配置添加到其为新型 COM-HPC 模块提供的丰富典型服务列表中。

这些模块的服务器级特性也令人印象深刻：对于业务关键型设计，它们提供强大的硬件安全功能，例如 Intel Boot Guard、Intel Total Memory Encryption-Multi-Tenant (Intel TME-MT) 和 Intel Software Guard Extensions (Intel SGX)。为了实现最佳的可靠性、可访问性和可维护性 (RAS) 性能，这些处理器模块集成了 Intel ME 可管理性引擎，并兼容 PICMG 定义的 IPMI 和 Redfish 等远程硬件管理应用程序。这有助于确保互操作性，这也是 congatec Academy 培训课程中涵盖的另一个主题。.

英特尔® 至强® D 系列服务器模块选项：
全新模块将提供高核心数 (HCC) 和低核心数 (LCC) 两种版本的英特尔® 至强® D 系列处理器：
• COM-HPC 服务器 E 型 (conga-HPC/sILH) 模块包含五款不同的英特尔® 至强® D 2700 HCC 处理器，核心数可选 4 至 20 个，基本处理器功耗介于 65 至 118 瓦之间。它们均配备八个 DIMM 插槽，支持高达 1 TB 的高速 2933 MT/s DDR4 ECC 内存、32 个 PCIe Gen 4 插槽和 16 个 PCIe Gen 3 插槽，以及 100 GbE 以太网吞吐量，此外还支持 2.5 Gbps 以太网，具备实时功能，并支持 TSN 和 TCC。
COM-HPC 服务器 D 型模块和基于 COM Express Type 7 标准的模块均包含五款不同的 Intel Xeon D 1700 LCC 处理器，可选 4 核至 10 核，基本处理器功耗范围为 40 瓦至 67 瓦。conga-B7Xl COM Express 服务器模块最多可通过四个 SODIMM 插槽支持 128 GB DDR4 2666 MT/s 内存，而 conga-HPC/SILL COM-HPC 服务器 D 型模块则提供四个 DIMM 插槽，支持高达 256 GB 的高速 DDR4 2933 MT/s 内存或 128 GB 的 ECC UDIMM 内存。两款模块均配备 16 条 PCIe Gen 4 通道和 16 条 PCIe Gen 3 通道。在高速网络连接方面，它们提供高达 50 GbE 的吞吐量，并支持通过 2.5 Gbps 以太网进行 TSN TCC 通信。

这些模块以可直接用于应用的评估样品形式提供，并配备与处理器 TDP 相匹配的强大散热解决方案。解决方案包括采用热管适配器的高性能主动散热方案，以及用于优化抗振动和抗冲击机械性能并降低必须承受短期高温波动的应用的热应力的全被动散热方案。在软件方面，新模块配备了适用于 Windows、Linux 和 VxWorks 的全面板级支持包，以及 RTS 虚拟机管理程序技术。
作者*：Andreas Bergbauer 是 congatec 公司 Intel Xeon-D 处理器的高级产品线经理。

BU3：配备三个 COM-HPC 模块的边缘服务器，专为处理要求极高的实时工作负载而设计。COM
-HPC 边缘服务器的设计并不局限于单模块配置。原型产品也直接支持多模块配置，可采用各种 COM-HPC 模块组合，例如配备 FPGA 或 GPGPU 计算加速器的配置。COM-HPC 服务器模块和客户端模块也可以在同一块电路板上协同工作。例如，congatec 目前正与比勒费尔德大学和 Christmann IT 合作开发一种边缘服务器设计，该设计将多个不同的 COM-HPC 模块集成到一块电路板上，以在多系统整合环境中处理高维 AI 机器学习聚类（自组织映射）中极其苛刻的实时工作负载。