Aby však bylo možné zpracovávat data v reálném čase a s malou latencí v náročném průmyslovém nebo dokonce venkovním prostředí, je třeba, aby takové buňky byly zvlášť odolné. K tomu jsou nyní uvedeny na trh první serverové moduly COM-HPC na světě určené pro využití v průmyslu a navržené pro provoz mimo klimatizovaná datová centra.

Digitální transformace v průmyslové výrobě vyžaduje rychlé sítě pracující v reálném čase, ale pokládka kabelů není vždy a všude možná. Standard 5G pro bezdrátovou komunikaci v reálném čase je tedy skutečnou revolucí v průmyslu, protože umožňuje spolehlivou bezdrátovou distribuci dat a zpracování jejich obrovského množství v reálném čase, a co je důležité, umožňuje přenášet je na delší vzdálenosti než sítě WLAN. A protože síť 5G mohou používat stacionární i mobilní zařízení, je možné jimi propojit celé továrny. V takových případech se používá síť 5G s velkou hustotou síťových zařízení s krátkými dobami odezvy a latencí v řádu milisekund. Díky využití metody network slicing umožňuje standard 5G vytvářet v rámci jediné fyzické sítě logicky oddělené nezávislé virtuální subsítě. A konečně, 5G je také základem pro zavedení cloudových nativních architektur, které umožňují serverům pro fog a edge computing bezdrátově a v reálném čase komunikovat v podstatě s jakýmkoliv typem zařízení.

Privátní sítě 5G pro kritické podnikové aplikace

Otevření frekvenčního rozsahu 3,7 až 3,8 GHz pro privátní mobilní sítě znamená, že pomocí standardu 5G lze realizovat a provozovat širokou škálu privátních sítí, kampusových i podnikových, které splňují požadavky na použití v kritické infrastruktuře a umožňují naplňovat koncept průmyslu 4.0. Škálovatelnost těchto privátních sítí a kompatibilita 5G s předchozími standardy mobilní komunikace, kterou lze očekávat i pro budoucí generace mobilních sítí, přinášejí vysokou bezpečnost investic. Stále více firem proto vytváří ve svých prostorách své vlastní privátní sítě 5G, aby mohly provozovat kritické podnikové aplikace a digitalizovat výrobu – což je trend, který bude podle nedávné studie firmy MarketsandMarkets v nadcházejících letech ještě posilovat.

Samozřejmě, že firmy mohou také využívat veřejné sítě 5G. Avšak ve venkovských oblastech, kde veřejná základnová stanice (jádro makrobuňky) používá pásmo 700 MHz a má dosah 15 až 20 km, je rychlost přenosu dat omezena na 100 až 200 megabitů za sekundu. Přestože je tedy dosah takový, že je možné jedinou 5G buňkou pokrýt i velký výrobní podnik, např. automobilku – třeba VW ve Wolfsburgu zaujímá plochu více než 6 km2 –, není dostupná šířka pásma pro plně propojenou a digitalizovanou továrnu dostatečná. Kompletní digitalizace vyžaduje pro přenos dat plnou šířku pásma 5G, což je důvod, proč firmy budují vlastní podnikové sítě. Frekvence 3,7 až 3,8 GHz umožňuje upstream 100 až 200 Mb/s a download 200 až 1 000 Mb/s. Dosah buněk je však omezen na 300 m až 3 km při přímé viditelnosti. Podniky proto potřebují více než jednu základnovou buňku. Často jde o velmi kompaktní tzv. malé buňky neboli femtobuňky. Jsou to zařízení o velikosti krabice na pizzu. Femtobuňky bez integrovaného serveru edge jsou ještě menší, přibližně o velikosti poznámkového bloku, a jsou k dispozici pro soukromé použití.

Robustní 5G servery otevírají nové dimenze výpočetního výkonu

V takových instalacích by měla být infrastruktura serverů edge za 5G mikrobuňkami ideálně zajištěna v základnové stanici či stanici RAN (Radio Access Network) nebo připojena přímo na ní, a to s využitím VNF (Virtual Network Functions). Existují i scénáře využití jinde v infrastruktuře, například v mikrodatových centrech, za předpokladu, že jsou splněny požadavky na latenci. Výhodou sdílené hardwarové platformy je, že funkce cloudového serveru edge a virtualizace síťových funkcí (NFV) mohou být implementovány společně v jedné centrální jednotce (CU).

Buňky vyžadují pro generování a zpracování signálů 5G integraci veškerého nezbytného hardwaru. Tak se vytváří fyzické rozhraní mezi rádiovou sítí 5G a digitálním základním pásmem. Kromě toho je třeba do serveru integrovat i výpočetní výkon požadovaný pro jednotlivé funkce edge computingu. Vzhledem k tomu, že funkce se mohou lišit v závislosti na aplikaci, doporučuje se modulární přístup a využití architektury Server-on-Module. V tomto případě lze funkce specifické pro danou aplikaci realizovat na nosné desce – včetně například implementace logického řízení radiové komunikace 5G s příslušnými rozšiřujícími moduly. S moduly typu Server-on-Module založenými na novém standardu PICMG COM-HPC a vybavenými novými procesory Intel Xeon D získávají vývojáři přístup k výpočetnímu výkonu, který byl dříve v náročných průmyslových podmínkách nedosažitelný. Tyto odolné moduly lze provozovat v rozšířeném teplotním rozsahu od -40 °C do +85 °C, jsou navržené pro dlouhodobou dostupnost a mají speciální ochranu proti elektromagnetickému rušení, nárazům a vibracím.

Pro zajištění potřebného výkonu mají moduly až 20 jader, až 1 TB paměti na až 8 soketech DRAM s rychlostí 2 933 MT/s, celkem až 47 linek PCIe na modul a 32 linek PCIe Gen 4 s dvojnásobnou propustností ve srovnání s předchozí generací; dále rozhraní pro až 100 GbE a podporu pro mechanismy TCC (Time-Coordinated Computing) a TSN (Time-Sensitive Networking), které umožňují komunikaci mezi zařízeními v reálném čase. V budoucnu s příchodem nových modulů se očekává další významné zvýšení výkonu. Výkon, který je již dnes k dispozici, je však zcela dostačující pro návrhy sítí v průmyslových areálech s využitím architektury Open-RAN. Pro vazbu backhaul mezi jádrem 5G a CU a midhaul mezi CU a jednotlivými DU je možné využít celkem pět serverových procesorů. Ty však dosud vyžadovaly klimatizovanou skříň a nelze je použít v rozšířeném teplotním rozsahu. Sloučením těchto funkcí do jedné mikrobuňky je možné realizovat méně výkonné malé 5G buňky schopné práce v reálném čase pouze na dvou virtualizovaných modulech.

Deterministický reálný čas s nativní virtualizací cloudu

Abyste však mohli spouštět různé nezávislé aplikace pracující v reálném čase na jediném serveru edge, jsou třeba také služby vyrovnávání zátěže serverů a její konsolidace. Obě služby jsou také vyžadovány pro podporu na straně platformy virtuálních strojů určených pro práci v reálném čase, které poskytují serverové funkce pro komunikační potřeby jednotek subscriber v sítích 5G. Pro tento účel je ideální hypervizor reálného času od firmy Real-Time Systems. Taková virtualizace a architektura network slicing umožňují podnikům, aby využívaly své privátní sítě 5G pro heterogenní aplikace v reálném čase hostované na jedné serverové platformě. To jim pak umožňuje přidělit vyhrazené systémové zdroje jednotlivým úkolům a procesům, aby bylo zajištěno jejich deterministické chování. Moduly Server-on-Module od společnosti congatec jsou určeny právě pro takové případy a lze je rychle upravit tak, aby zahrnovaly nezbytné parametry pro služby kolokace v reálném čase v případech, kdy různé aplikace sdílejí stejné zdroje. To umožňuje provozovatelům průmyslových podniků efektivněji realizovat datové servery edge 5G schopné práce v reálném čase pro služby, jako jsou automatizace strojů, řízení robotů nebo automatizovaná logistika ve výrobních závodech.

Další výhodou nových modulů je, že již nativně integrují do procesorového modulu mechanismus TSN. Pokud základní logika 5G také podporuje TSN, moduly umožňují standardizovanou výměnu dat a nepřetržitou, transparentní komunikaci od senzorů do cloudu, například pomocí OPC UA jako otevřeného komunikačního protokolu pro práci v reálném čase. Aliance 5G-ACIA (5G Alliance for Connected Industries and Automation), která je pracovní skupinou předního německého sdružení ZVEI, vyvíjí potřebné specifikace pro QoS, zabezpečení sítě, a především integraci mechanismů TSN. To dokonce umožní používat izochronní reálný čas bez časové nestability (jitter), v němž jsou časy komunikačních cyklů přesně taktovány a lze je synchronizovat v obou směrech od 100 µs do 2 ms.

V budoucnu bude specifikace COM-HPC rozšířena tak, aby zahrnovala i funkční bezpečnost. Moduly podporující tuto funkci by pak mohly být použity jako centrální řídicí jednotky pro autonomní intralogistická vozidla, jako jsou vlečné vozíky, nákladní vozíky, vysokozdvižné vozíky, vozíky obsluhující montážní linky nebo paletové vozíky, popř. pro řízení kolaborativních robotů. K dispozici budou předem certifikované počítačové moduly, které zákazníkům usnadní realizaci nových bezpečnostních aplikací.

Řešení „vše v jednom“: COM-HPC Server-on-Module pro mikrobuňky 5G

Nové serverové moduly COM-HPC přinášejí revoluci v návrhu serverů edge ve třech ohledech. Servery robustní konstrukce s novými procesory Intel Xeon D lze implementovat do mikrobuněk privátních sítí 5G bez dodatečné klimatizace. Díky podpoře rozšířeného teplotního rozsahu jsou nové servery vhodné pro použití mimo běžné prostředí, včetně venkovních a mobilních zařízení ve stavebnictví nebo zemědělství. První serverové moduly COM-HPC na světě od společnosti congatec s až 20 jádry poskytují výrazně vyšší výkon a škálovatelnost a mají až 8 soketů DRAM, které přinášejí výrazně vyšší propustnost paměti. Kromě tohoto prvenství umožňují také realizovat deterministický reálný čas v řešeních průmyslového IoT. To z nich dělá ideální základ pro budování na míru přizpůsobených 5G buněk s integrovaným serverem edge jako řešení „vše v jednom“.

Pro správce sítí 5G nabízejí nové moduly také sadu vysoce kvalitních aplikačně specifických serverových funkcí. Například pro moduly používané v kritických podnikových úlohách mají výkonné funkce zabezpečení hardwaru, jako jsou Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption – Multi-Tenant (Intel TME-MT) a Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Ucelený soubor funkcí vzdáleného aplikačního serveru (RAS) podporuje funkce vzdálené správy hardwaru, jako jsou IPMI a Redfish, pro které je k dispozici také specifikace PICMG, jež zajišťuje interoperabilitu jejich implementací. Konečně, congatec také poskytuje obsáhlou nabídku služeb, které pomáhají s individuálním vývojem systému a implementací specifických pro konkrétního zákazníka. Tyto služby sahají od školení pro návrháře COM-HPC až po podporu zákaznické integrace a testování shody návrhů na zakázku vyvinutých desek.

Autor*: Zeljko Loncaric, Marketing Engineer, congatec AG

Obrázek 1: Průmyslové 5G buňky mohou mít velmi rozmanité úkoly. Moduly typu Server-on-Module umožňují OEM efektivně škálovat výkon malých buněk, které jsou sotva větší než krabice na pizzu, z hlediska komunikace v síti 5G i edge computingu.

Obrázek 2: Pokud buňky 5G podporují TSN, mohou hostovat aplikace pracující v reálném čase.

Obrázek 3: Na zakázku vyvinuté nosné desky mohou být dokonce navrženy pro 5G buňky instalované ve sloupech osvětlení.

Obrázek 4: Konsolidace zátěže serverů edge v síti 5G: hostitelem funkcí 5G NVF a průmyslových aplikací pracujících v reálném čase může být až 20 jader.

Nyní k dispozici: serverové moduly s procesory Intel Xeon D

Nyní jsou k dispozici vzorky níže uvedených modulů Server-On-Module, včetně vhodných robustních řešení pro chlazení TDP daného procesoru. Co se týče softwaru, jsou nové moduly dodávány s kompletními balíčky podpory desek pro Windows, Linux a VxWorks a s hypervizorem RTS. Mezi podporované varianty procesorů Intel Xeon D s vysokým počtem jader (HCC) a nízkým počtem jader (LCC) patří:

Varianty HCC

Moduly COM-HPC Server Size E (conga-HPC/sILH) jsou k dispozici s 5 různými procesory Intel Xeon D 27xx HCC ve variantách s 4 až 20 jádry. Mají 8 soketů DIMM pro až 1 TB rychlé paměti DDR4 2 933 MT/s s ECC, 32× PCIe Gen 4 a 16× PCIe Gen 3 a také rozhraní 100 GbE plus rozhraní 2,5 Gb/s pro ethernetovou komunikaci v reálném čase s podporou TSN/ TCC, a to při základním příkonu procesoru 65 až 118 W.

Varianty LCC

Moduly COM-HPC Server Size D se stejně jako tradiční moduly COM Express Type 7 dodávají s 5 různými procesory Intel Xeon D 17xx LCC s možností volby 4 až 10 jader. Zatímco modul conga B7Xl COM Express Server-on-Module podporuje až 128 GB paměti RAM DDR4 2 666 MT/s instalované do až tří soketů SODIMM, modul conga-HPC/SILL COM-HPC Server Size D má čtyři sokety DIMM pro až 256 GB paměti 2 933 MT/s DDR4 RAM nebo 128 GB s ECC UDIMM RAM. Obě řady modulů mají až 16× PCIe Gen 4 a 16× PCIe Gen 3. Pro rychlé připojení k síti mají rozhraní až 50 GbE a rozhraní 2,5 Gb/s s možností práce v reálném čase s podporou TSN/TCC, a to při základním příkonu procesoru 40 až 67 W.