Sulautetut kortti- ja mikropalvelimet tarvitsevat palon suorituskykyä. Jos haluaa rakentaa tällaisen suorituskykyisen järjestelmän palvelinmoduuleilla rankkoihin olosuhteisiin, tarvitsee COM Express Type 7 -pohjaisen ekosysteemin ja mahdollisuuden kehittää lämpöteholtaan 100 watin kone ilman tuuletinta. AMD EPYC Embedded 3000 -sarjan prosessoreilla congatec on tuonut tällaisen tehon volyymeissä tarjolle ensimmäistä kertaa.

Mahdollisuudesta päivittää suorituskykyä helposti on tulossa vakio-ominaisuus sulautettujen verkon reunalla toimivien edge-korttipalvelimien ja mikropalvelinten toiminnallisissa määrityksissä. Tämä johtuu ensinnäkin siitä, että tehtävät reunasovelluksissa eroavat toisistaan suuresti. Tärkein syy on kuitenkin se, että vaatimusten odotetaan kasvavan tasaisesti ajan kuluessa. Yhä enemmän toimintoja sulautetaan yksittäisille edge-palvelinalustoille. Tietoliikenne- ja tietoturvavaatimukset kiristyvät myös koko ajan. Se mikä näyttää riittävän tänään, voi olla vanhentunutta huomenna. Siksi pitää varmistaa erityisesti kustannustehokkaan suorituskyvyn nostamisen mahdollisuus.

Edullista lisätehoa palvelinmoduuleilla

Suorituskyvyn lisääminen onnistuu erityisen hyvin palvelinmoduuleilla. Ne on standardoitu PICMG:n COM Express Type 7 -määrityksessä. Luotettavat avoimiin standardeihin perustuvat kehityspolut on jo muodostettu niin, että sekä tämä korttiluokka että tuleva COM-HPC-standardi ovat valmiita tulevaisuutta varten.

Ekosysteemistä kuitenkin puuttui aiemmin valmiit, kaupalliset COTS-ratkaisut, joiden avulla tehokkaita ratkaisuja voisi toteuttaa ”suoraan kaupan hyllyltä”. Jo tarjolla olevien moduulien ja kantakorttien valikoimasta puuttuivat sekä suorituskykyiset jäähdytysratkaisut yli 65 watin lämpötehoarvoihin (TDP) että sopivat palvelintason etähallintatoiminnot. Nyt molemmat ovat saatavilla. congatec toteutti tämän esimerkiksi laajentamalla ilman tuuletinta toimivien suunnittelujen alueen kattamaan konvektiojäähdytetyt 100-wattiset järjestelmät. Tämä on vaikuttava 53 prosentin parannus COM Express Type 7 -suunnitteluilla, eikä aiemmin ole ollut tarjolla tällaista kaupallista ratkaisua, jota laitevalmistajat voisivat välittömästi hyödyntää ostetuilla komponenteilla.

Sulautettu palvelin konduktiolla aina 100 wattiin asti

Uudet AMD EPYC Embedded 3000 -sarjan prosessoreihin perustuvat conga-B7E3 -moduulit voidaan nyt varustaa sovellusvalmiilla lämmönjohtimilla ja tehokkailla tuulettimilla, tai vaihtoehtoisesti jäähdytysputkisovittimilla, joiden avulla päästään tehokkaaseen putkijäähdytykseen jopa erittäin litteissä 1U-palvelimissa. Mikäli 65-100 watin järjestelmät suunnitellaan niin, että myös ne pärjäävät ilman pyöriviä tuulettimia, voidaan kehittää erittäin kestäviä eli robusteja sulautettuaja palvelimia, jotka sopivat lukuisiin edge-sovelluksiin teollisessa IoT:ssä ja Teollisuus 4.0:ssa.

100-wattisten sulautettujen edge- ja mikropalvelinten sovellusalueisiin kuuluvat esimerkiksi 5G-reunadatakeskukset, teollisuus 4.0 -palvelimet ja älykkäiden robottisolujen, cobottien ja autonomisten robottien ja logistiikka-ajoneuvojen palvelimet, joissa on nopeaa kuvankäsittelyä ja muita tilannetietoisuutta lisääviä antureita. Ekosysteemi sopii myös virtualisoituihin kovaa käyttöä kestäviin (rugged) asennuksiin, joilla tehdään teollisuusreititystä, kosketusinternetiä, palomuureja ja murtohavaintoja, sekä VN-teknologioita. Näitä voidaan toteuttaa myös yhdessä erilaisten reaaliaikaohjausjärjestelmien ja tekoälyn neuraaliverkkojen kanssa.

1U-räkkien kantakortit ja 5x5-kortit

Uusien jäähdytysratkaisujen lisäksi congatecin uusi 100-W -ekosysteemi sisältyy aloituspaketteja, jotka perustuvat kahteen eri sovellusvalmiiseen palvelintason kantakorttiin, conga-X7EVAL ja conga-STX7. Niiden ominaisuuksiin kuuluu useita 10GbE-liitäntää, jotka on toteutettu palvelinmääritysten mukaisesti SFP+-paikkoina sekä kupari- että kuituoptisille kaapeleille. Esimerkinomaisina edge-palvelinsuunnitteluina ne toisaalta sopivat 1U-räkkijärjestelmiin ja toisaalta PC-koneformaattiin, ja ne voidaan modifioida spesifien asiakasvaatimusten mukaisesti. Vastaavat suunnittelupalvelut on jo määritelty yhdeksi ekosysteemin osaksi congatecin toimesta.

Tehokasta räätälöintiä

Asiakaskohtainen eli kustomoitu kantakorttisuunnittelu ei aina ole välttämätöntä, koska molemmissa kantakorteissa on integroitu ”ominaisuusliitin” (feature connector), jolla OEM-yritys voi toteuttaa omat spesifit laajennuksensa. Tämä on erityisen hyödyllistä erittäin kompakteissa kantakorteissa kuten mini-STX-formaatin conga-STX7/Carrier -kortissa, joka on mitoiltaan vain 5,5 x 5,8 -tuumainen. Sen avulla asiakkaat voivat käyttää 220-nastaista feature-liitintä toteuttaakseen ne COM Express Type 7 -standardin liitännät, jotka eivät sovi pienikokoiselle standardille kantakortille kustomoiduilla laajennuskorteilla.

Tähän congatec käyttää samaa liitintä, jotka käytetään myös moduulin ja kantakortin välillä COM Expressissä. Vastaavat suunnitteluohjeet, jotka kuvaavat näiden laajennusten kehittämistä, voidaan ottaa suoraan PICGM:n kantakortin suunnitteluoppaasta. Tämän uuden, erittäin paljon tilaa ja korkeutta säästävän kantakortin laajennusliittimen käyttö kannattaa aina niille OEM-taloille, jotka haluavat laajentaa standardia kantakorttiaan sisältämään yksittäisiä toimintoja ilman turvaa hässäkkää.

Ensimmäinen kortti, joka voidaan käyttää uudella COM Express Type 7 -kantakortin laajennusliittimessä on PCIe-laajennusmoduuli. Sen avulla laitevalmistaja voi esimerkiksi liittää kortille yleiskäyttöisen, erillisen grafiikkaprosessorin (GPGU) koneoppimiseen ja päättelyjärjestelmiin tai useiden teratavujen verran PCIe-pohjaisia flash-muistia big datan vaatimuksiin.

Palvelintason hallinta

Sulautetuissa järjestelmissä tarvitaan kuitenkin enemmän kuin skaalautuvaa suorituskykyistä rautaa ja sopivia jäähdytysratkaisuja, jotta voidaan tarjota palvelintason suorituskyky. Tätä varten niiden pitää myös tarjota kattavat hallintatoiminnot. Ne ovat keskeisen tärkeitä laajasti jaetuissa sulautetuissa edge- ja mikropalvelimissa, ja eroavat selvästi siitä, mitä aiemmin käytettiin erillisissä sulautetuissa tietokonejärjestelmissä.

Tämän takia congatec integroi 100-W-ekosysteemiinsä myös kattavat RAS-toiminnot (reliability, availability, and serviceability), jotka on integroitu myös AMD EPYC Embedded 3000 -prosessoreille. Tällainen on esimerkiksi ensimmäistä kertaa koskaan palvelinluokan kortinhallinnan ohjain (BMC), joka mahdollistaa pääsyn järjestelmiin sekä palvelun ulkopuolella (out-of-servide) että erillisliitännän kautta (out-of-band). Yhdessä nämä takaavat erittäin tehokkaan etämonitoroinnin, -hallinnan ja ylläpitotoiminnot, jollaiset ovat tavallisia kaupallisissa datakeskuksissa, ja joilla voidaan optimoida jaettujen laitteiden kokonaiskustannuksia.

Tämä kaikki on nyt kuitenkin suunniteltu siten, että se toimii myös kovissa olosuhteissa. Kortin hallintaohjaimelle congatec valitsi Apeedin AST2500-piirin, joka perustuu 800 megahertsin Arm11-prosessoriin, tukee 1600 megabittiä sekunnissa siirtävääDDR4-muistia ja tuo piirille lisätyn PCIe 2D VGA liitännän hallintapaneelille. Näin congatec optimoi ohjaimen firmware-ohjelmiston vastaamaan sulautettujen edge- ja mikropalvelimien hallinnan vaatimuksiin. Näihin kuuluvat kyky käyttää COM Express Type 7 -standardin sulautettuja rajapintoja kaikkien tarvittavien tapahtumalokien toteutukseen ja hälytyksiin etähallintajärjestelmän anturitoteutuksen kautta. Lisäksi toteutettiin sekä IPMI-tehonohjauskäskyt että KVM- ja median uudelleenohjaustoiminnot tukemaan sekä paikallisesti liittyneitä palvelinkonsoleita että KVM-virtuaalikoneita (kernel based virtual machine). Isäntäkoneen debuggauskonsoli ja sen perusteella kytkentä eri isäntäjärjestelmien välillä täydentävät tämän julkaisun 1.0-version.

Tietoturvaa moduulilla

Edge-sovellukset hyötyvät myös AMD:n prosessorille integroiduista tietoturvatoiminnoista, kuten turvakäynnistysjärjestelmästä (Secure Boot System), turvatusta muistin salauksesta (Secure Memory Encryption) ja turvastusta salatusta virtualisoinnista (SEV, Secure Encrypted Virtualization), sekä turvatusta siirtymäkanavasta kahden SEV-alustan välillä. Prosessori tukee myös IPsec-turvaa integroidulla salauskiihdytyksellä. Näiden ansiosta edes palvelimen ylläpitäjällä ei ole pääsyä salattuun virtuaalikoneeseen. Tämä on erityisen tärkeää monissa korkean tietoturva edge-palvelinpalveluissa, jotka mahdollistavat valmistajasta riippumattomien Teollisuus 4.0-automaatioratkaisujen käytön ja jotka samanaikaisesti täytyy suojata hakkerien sabotointiyrityksiä vastaan.

Kaksi virtualisointioptiota valmiiksi integroituna

AMD Embedded EPYC 3000 -palvelinprosessorin tuomien virtualisointivaihtoehtojen lisäksi laitevalmistaja voi käyttää sovellusvalmiita virtuaalisia reaaliaikakoneita, jotka perustuvat RTS-hypervisoriin. Tämän ohjelmistopohjaisen reaaliaikaisen hypervisor-teknologian käyttö tuo tarjolle siirtymämahdollisuudet eri mikroarkkitehtuurien välillä, mikä pidentää ratkaisun käytettävyyttä. RTS-hypervisor eli -virtuaalikonemonitori vakuuttaa siksi erityisesti takaamalla optimaalisen reaaliaikasuorituskyvyn sekä yksinkertaisen asennuksen ja partitioinnin mille tahansa x86-moniydinalustalle. Se tukee kaikki yleisiä reaaliaika- ja yleiskäyttöisiä käyttöjärjestelmiä, joten työkuormaa voidaan jakaa eri ratkaisuille toteutettaviksi näillä palvelimilla. 16 ja 32 ytimen AMD EPYC 3000 Embedded -prosessoreilla virtuaalikoneet voivat teoreettisesti operoida rinnan lukuisia eri sovelluksia. Käytännössä yleisempiä ovat virtuaalikonejärjestelyt, jotka käyttävät useampaa ydintä esimerkiksi ohjaamaan neljää robottia neljällä ytimellä kutakin yhdessä järjestelmässä.

Kova reaaliaikaisuus taattu

100-W-ekosysteemin huomattaviin ohjelmiston ominaisuuksiin kuuluu myös tuki reaaliaikaiselle konfiguroinnille, jolla vältetään latenssi prosessoripuolen lämpötehon hallinnassa. Tätä varten congatec tarjoaa yhdessä AMD:n kanssa samanlaiset AMD EPYC Embedded 3000 -prosessorisuunnittelut, koska prosessorin lämpötehon hallinta – joka varmistaa maksimisuorituskyvyn – on suunnattu piillä toteutetun logiikan fundamentaalisille rajoille. Nykyaikaisten tehonhallintajärjestelmien pitäisi nimittäin taata, ettei näitä rajoja ylitetä ja että taataan alle olevan piin korkea luotettavuus ja toiminnallisuus kaikissa toimintaolosuhteissa. Nämä voiva kuitenkin vaikuttaa reaaliaikaiseen suorituskykyyn. Siksi on välttämätöntä käyttää järjestelmään sovitettuja konfiguraatioita, jotka congatec tarjoaa automaattisesti RTS-hypervisor -toteutuksen mukana.

Näin congatecin sulautettujen edge- ja mikropalvelimien 100-W-ekosysteemi yksinkertaistaa monimutkaisen palvelinteknologian suunnittelua. Ja kuten voidaan BMC-ohjaimesta nähdä, tämä vaikuttaa kasvavassa määrin myös kantakorttien suunnitteluun. Tämänhetkistä 100-W-ekosysteemiä voidaan luonnollisesti käyttää myös COM Express Type 6 -moduulien kanssa ja se muodostaa arvokkaan perustan tuleville COM-HPC-moduulien suorituskykyisille toteutuksille niin, että tähän standardiin perustuvien congatecin moduulien nopean kehityksen pitäisi myös olla mahdollista.

Artikkeli on ilmestynyt ETNdigi-lehden numerossa 2/2019. Sitä pääset lukemaan ilmaiseksi täällä.