COM-HPC on uusi korttitietokoneiden standardi, joka lupaa tuoda palvelinluokan tehon verkon reunalle. Saksalainen congatec tarjoaa suunnittelijoiden avuksi paljon tietoa, jonka perusteella esimerkiksi Intel Xeon D -pohjaisten COM-HPC-palvelinmoduulien suunnittelu tulee tutuksi.

Suunnittelijoiden tulee omaksua uudet suunnittelusäännöt nopeasti, helposti ja tehokkaasti, mitä tukemaan congatec tarjoaa verkossa ja tuotantotiloissa tapahtuvaa koulutusta COM-HPC-palvelin- ja asiakaspiirimoduulien suunnittelijoille. Koulutus koostuu asiantuntijan antamasta johdannosta Computer-on-Module (COM) -standardiin perustuviin uusimpiin sulautettujen ja edge-tietokoneiden suunnittelun saloihin. Koulutus pitää sisällään kaikki pakolliset ja suositellut suunnitteluperusteet ja parhaat toimintamallit koskien COM-HPC-kantakorttien ja -oheislaitteiden suunnittelua kuten esimerkiksi yli sadan watin palvelinsuunnittelujen ilman tuulettimia toteutettavia jäähdytysjärjestelmiä.

COM-HPC-palvelinmoduulien suunnitteluun tarkoitetut monipuolisilla ominaisuuksilla varustetut arviointikortit toimivat referenssialustana opeteltaessa Intelin Xeon D -suorittimeen perustuvia toteutuksia. Niissä käytetään hyödyksi kaikkia standardin ominaisuuksia ja suunnittelijat voivat käyttää niitä alustoina tehdessään sovellustensa jatkokehitystä.

Normaalisti emolevysuunnittelut tukevat tavallisesti ainoastaan kortilla olevia standardiliitäntöjä, joita käytetään kortin päätyosasta käsin (päätyliitännät). Koska näissä suunnitteluissa ei teollisuuden asettamia vaatimuksia ole otettu huomioon, niiden soveltuvuus käytettäväksi esineitten internetin edge-palvelimina on hyvin rajoitettua. Ja säännön mukaisesti niitä ei myöskään ole suunniteltu kestämään lämmönvaihteluita lämpötila-alueella -40 … +85 ºC eikä niiden pitkän ajan saatavuutta ole taattu 7-15 vuodeksi. Sen sijaan palvelinmoduulien käyttö mahdollistaa mekaniikaltaan sopivan korttikoon toteuttamisen, jolloin on mahdollista suunnitella kantakorttiin liitännät niille parhaiten sopiviin kohtiin.

Congatecin koulutuksen tavoitteena on antaa opetusta suunnittelijoille kaikilla COM-HPC-suunnittelun osa-alueilla piirikorttien kerrossuunnittelun periaatteista, tehonhallinnan säännöistä ja signaalin eheysvaatimuksista komponenttien valintaan. Tietoliikenteen rajapintoja käsittävän koulutuksen painopisteenä on ohjata välttämään sudenkuoppia nopean sarjatietoliikenteen suunnittelua koskevissa haasteissa: PCIe Gen 4:stä ja 5:stä USB 3.2 Gen 2:een ja USB 4:stä yhdistettynä Thunderboltiin USB-C:llä 100 Gb:n ethernetiin, ja mukaan kuuluu myös sivukaistasignaalien hallinta 10, 25, 40 tai 100 Gb:n ethernetin KR-rajapinnoissa, jotka COM-HPC:n mukaan pitää sarja-rinnakkaismuuntaa kantakortilla. Koulutukseen kuuluu myös opastus parhaista suunnittelukäytännöistä käytettäessä sellaisia liitäntästandardeja kuin esimerkiksi eSPI, I2C ja GPIOs.

Johdatus x86-laitteisto-ohjelmoinnin toteutuksiin sulautetusta BIOS:sta korttien ja moduulien hallintaohjainten ominaispiirteisiin täydentää tuotantotiloissa tapahtuvaa koulutusta. Ja viimeisimpänä vaan ei vähäisimpänä koulutukseen kuuluu myös osiot varmennuksesta ja testausmenettelyistä, joissa käydään läpi kysymyksiä alkuperäisen kantakorttisuunnittelun varmennuksesta volyymituotannon testaukseen.

Tarjoamalla näin laaja-alaisen koulutusohjelman congatecin tavoitteena on helpottaa kestävien edge-palvelimien suunnittelua niin paljon kuin mahdollista. Sanomattakin on selvää, että yhtiö tarjoaa kiinnostuneille OEM-valmistajille täyden järjestelmäsuunnittelun kokonaisuuden, johon kuuluvat yhtiön uudet COM-HPC-palvelinmoduulit ja laajan yhteistyökumppanien verkoston tarjonta.

Edge-palvelimen suorituskyky paranee

Uudet BGA-koteloidut Intelin Xeon D -suorittimella varustetut E- ja D-kokoiset COM-HPC Server-on-Modules -moduulit (koodinimellä Ice Lake D) kestävät ulkoista lämpöä lämpötila-alueella -40 … +85 ºC. Sen lisäksi ne tekevät vaikutuksen tasoittamalla edge-palvelimien aiemmista rajoituksista johtuneita sudenkuoppia ja parantamalla merkittävästi tulevien sukupolvien reaaliaikaisten mikropalvelimien suorituskykyä ankarissa olosuhteissa ja suurilla lämpötila-alueilla.

Parannuksia ovat esimerkiksi enimmillään 20 ydintä, enimmillään 1 Tt muistia enimmillään 8 DRAM-liitännällä 2933 Mt/s:ssa, enimmillään 47 PCIe-linjaa moduulia kohti ja 32 PCIe Gen 4 -linjaa kaksinkertaisella välityskyvyllä linjaa kohti sekä enimmillään 100 GbE -liitettävyyttä ja TCC/TSN-tukea yhdistettynä optimoituun tehonkulutukseen 10 nm:n tuotantoprosessin ansiosta. Videotallennus- ja analytiikkapalvelimet hyötyvät myös integroidun Intelin AVX-512:n sekä VNNI- ja OpenVINO-tukien tarjoamista eduista tekoälypohjaisessa data-analytiikassa.

Reaaliaikaisten edge-palvelinsuunnittelujen tavoitteet

Ice Lake D -pohjaisten uusien COM-HPC-palvelinmoduulien julkistaminen on mahdollistanut kolmen tavoitteen saavuttamisen. Ensinnäkin, laajentuneen lämpötila-alueen tuen ansiosta Intelin Xeon D -palvelinmoduulien käyttö on mahdollista tavanomaisten teollisuussovelluksien lisäksi ulkoilman ja autoteollisuuden ympäristöoloissa. Toiseksi, julkistettu COM-HPC-palvelinmoduuli mahdollisti lisätä käytettävissä olevien ydinten määrän 20:een ensimmäistä kertaa maailmassa sekä enimmillään 8 DRAM-liitäntää, joka lisää merkittävästi muistikaistaa verrattuna muihin PICMG-määritysten mukaisiin palvelinmoduuleihin. Kolmanneksi uudet palvelinmoduulit pystyvät toimimaan reaaliaikaisesti sekä suoritinytimien että TCC/TSN-käyttövalmiin reaaliaikaisen ethernetin osalta, mikä on erittäin tärkeää digitoidun IIoT:n ja Teollisuus 4.0:n projekteissa.

Congatecin valikoimassa ovat Intelin Xeon D -suorittimella varustetut COM-HPC Server Size E ja Size D sekä COM Express Type 7.

Intelin Xeon D:llä varustetut COM-HPC Server Size E ja Size D eroavat toistaan käytettävissä olevien RAM-liitäntöjen lukumäärällä, joka on määräävä tekijä myös moduulien koon osalta.

Deterministisesti reaaliaikaisissa edge-palvelinkokoonpanoissa, joissa erilaiset reaaliaikaiset sovellukset toimivat toisistaan riippumatta yksittäisessä palvelimessa, palvelimen kuormituksen tasapainottamisen ja konsolidointipalvelujen toteuttaminen helpottuu, jos alustat tukevat reaaliaikaisesti käyttövalmiita virtuaalikoneita, kuten esimerkiksi Real-Time Systemsin RTS Hypervisor -virtuaalikoneita. Tällöin Teollisuus 4.0 -tuotantotiloissa olevien heterogeenisten reaaliaikaisten sovellusten suorittaminen yksittäisellä alustalla yksityisten 5G-verkkojen reunalla mahdollistuu ja eksklusiivisten järjestelmäresurssien kohdistaminen yksittäisiin prosesseihin on mahdollista. Congatecin Server-on-Modules -moduuleissa nämä palvelut ovat esiasetettuina. Congatec tarjoaa uusien COM-HPC-moduulien yhteydessä asiakaskohtaisten asennusten tarvitsemia parametrimäärittelyjä osana standardipalvelujaan.

Valinnanvaraa erilaisten reaaliaikaisten sovellusten turvaominaisuuksien toteuttamiseksi tarjoaa enimmillään 20 ytimen antama suorituskyky käyttämällä Real-Time Systemsin virtuaalitekniikkaa.

Moduulit on lisäksi varustettu seuraavilla kehittyneillä palvelimille suunnatuilla ominaisuuksilla. Tehtäväkriittisiä suunnitteluja varten niissä on tehokkaita laitteiston turvallisuutta tukevia toimintoja, kuten Intelin Boot Guard, Intelin Total Memory Ecryption - Multi-Tenant (Intel TME-MT) ja Intelin Software Guard Extensions (Intel SGX). RAS-valmiuksien parantamista varten suoritinmoduuleihin on integroitu Intelin ME Manageability Engine ja laitteiston etähallintaa tukevia ominaisuuksia, kuten IPMI ja redfish. On siis olemassa toinenkin PICMG-määrittely mainittujen toteutusten yhteistoiminnallisuuden takaamiseksi ja congatecin koulutusohjelmassa tarkastellaan myös sitä puolta.

Palvelinmoduulien valikoima Intelin Xeon D:lle

Uusia moduuleja tarjotaan enemmän (HCC) ja vähemmän (LCC) ytimiä sisältävillä vaihtoehtoina Intelin Xeon D -suoritinvalikoimaan optimoituna.

Conga-HPC/sILH COM-HPC Server Size E -moduuleja on saatavissa optimoituina viidelle erilaiselle Intelin Xeon 27xx HCC -suorittimelle, joissa valittavissa on 4-20 ydintä, 8 DIMM-liitäntää aina 1 Tt:uun asti 2933 MT/s:n nopeaa DDR4-muistia yhdessä ECC:n, 32x PCIe Gen 4:n ja 16x PCIe Gen 3:n kanssa,100 GbE:n välityskyky yhdistettynä reaaliaikaiseen 2,5 Gb/s:n ethernetiin sekä TSN- ja TCC-tuki suorittimen 65-118 watin perustehoille.

COM-HPC Server Size D ja COM Express Type 7 -moduulit on saatavissa viidelle erilaiselle Intelin Xeon 17xx LCC -suorittimelle, joissa valittavissa on 4-10 ydintä. Siinä missä conga-B7XI COM Express Server-on-Module tukee enimmillään 128 Gt:n DDR4 2666 MT/s:n RAM:ia enimmillään kolmella SODIMM-liitännällä, conga-HPC/SILL COM-HPC Server Size D -moduuli tarjoaa 4 DIMM-liitäntää aina 256 Gt:uun asti 2933 MT/s:n nopeaa DDR4 RAM:ia tai 128 Gt yhdessä ECC UDIMM RAM:n kanssa. Molemmat moduulisarjat tarjoavat 16x PCIe Gen 4 ja 16x PCIe Gen 3 -linjaa. Nopeita verkkotoimintoja varten ne on varustettu enimmillään 50 GbE:n välityskykyvyllä ja TSN/TCC-tuella 2,5 Gb/s:n ethernettiin suorittimen 40-67 watin perustehoille.

Moduuleja on nyt alustavasti tilattavissa ja sovelluskohtaisia arviointinäytteitä on heti saatavissa kestävistä jäähdytysratkaisuista suorittimien TDP-sovituksiin. Jäähdytysratkaisuja on saatavissa tehokkaista aktiivisista lämpöpumppusovittimella varustetuista jäähdytysratkaisuista täysin passiivisiin ratkaisuihin, jotka ovat mekaanisesti kestäviä värähtelyjä ja iskuja vastaan. Jälkimmäiset vähentävät myös lämpöstressiä sovelluksissa, joiden tulee kestää äärimmäisistä lämmönvaihteluista johtuvia lyhyitä lämpöpurkautumia. Uudet moduulit toimitetaan laajoilla korttien kehitystä tukevilla Windowsin, Linuxin ja VxWorksin ohjelmistopaketeilla sekä RTS Hypervisor -teknologialla.

Congatecin Intelin Xeon D27xx HCC -suorittimella varustettujen COM-HPC Server Size E -moduulien (200 mm x 160 mm) kokoonpanoja.

Congatecin Intelin Xeon D17xx LCC -suorittimella varustettujen COM-HPC Server Size D -moduulien (160 mm x 160) ja COM Express Type 7 -moduulien (95 mm x 120 mm) kokoonpanoja.

Artikkeli on toinen osa kaksiosaisesta kokonaisuudesta. Ensimmäinen osa löytyy täältä.