Annons

eHPC-moduler från rand till moln

”Edge”-, ”Fog”- och ”Cloud”-applikationer kräver ständigt ökande datorkraft. Traditionella typer av servrar är inte tillräckligt robust uppbyggda för att kunna arbeta i svåra industriella miljöer. I en artikel från Kontron beskrivs här hur COM Express-moduler kan ge effektiva lösningar. Type 7 är en ny variant som för första gången uppfyller kraven för eHPC (embedded High Performande Computing).

11ehpc09

Till skillnad från de flesta affärs- och IT-applikationer kan många produktionsuppgifter inte utan svårigheter läggas ut på molntjänster, även om det skulle vara praktiskt med tanke på förenkling, kostnadsbesparingar och underhåll. Även för moderna infrastrukturer, som TSN-baserade nätverk, gäller att den fysiska längden hos ledningarna, med tillhörande latenser, ofta sätter ett abrupt stopp för tanken på realtidsstyrning ute i molnet. Många företag vill inte heller att deras fullständiga produktionsdata och kunnande lagras och bearbetas utanför deras egna lokaler.

Den beprövade lösningen på denna utmaning är ansatser som ”Edge”- och ”Fog”-lösningar. I praktiken innebär detta att man flyttar molnet fysiskt närmare produktionen och/eller konsoliderar (samlar ihop) data genom förbearbetning i egna datorer. Naturligtvis finns det robusta, industriklassade Edge-gateways tillgängliga, men deras prestanda är begränsade. I många fall är den mest kostnadseffektiva och servicevänliga lösningen att man skaffar sig rikligt med datorkraft direkt i den egna anläggningen.

En nyckelparameter för kostnadseffektivitet kan vara bred skalbarhet. Högsta tillgänglighet och tillförlitlighet krävs ju i alla fall i de flesta industriella applikationer. Detta är egenskaper som länge varit välkända och uppskattade hos vanliga standarddatormoduler (COM-moduler). Så vad skulle kunna ligga närmare till hands än att bygga upp en egen, skalbar datorinfrastruktur baserad på beprövade, modulära system? Då går det att bygga en konstruktion idag som passar för dagens behov, och ha möjligheten att uppgradera den senare.

Vilken modul från vilken tillverkare?
En av de viktigaste fördelarna med att använda COM-moduler är att det handlar om en i hög grad förintegrerad plattform. Kunden kan fullt ut koncentrera sig på att utveckla sin egen applikationsmjukvara. Det är ju på denna som företagets kunnande om den specifika lösningen bygger, liksom företagets kärnkompetens och möjligheter till mervärde. I ett idealfall erbjuder modulleverantören ett bärarkort som redan har alla nödvändiga gränssnitt. Om det skulle fattas några speciella funktioner (inom det industriella området krävs det t ex vanligen speciella fältbussgränssnitt) går det att spara in mängder av tid och huvudvärk om det går att utnyttja modulleverantörens kunnande.

Så systemintegratören kan enkelt få tillgång till befintliga lösningar (IP) och/eller resurser från modultillverkaren. Det går att spara in kostnaden för extra resurser, och utvecklingstiden kan förkortas ytterligare. Detta gäller speciellt för sådana förhållanden som kräver specifikt kunnande och erfarenhet, t ex alla aspekter på säkerhet. Här är det extra viktigt att modultillverkaren använder komponenter och teknologier som redan har bevisats vara tillförlitliga. Den ideala lösningen är koncept med standardiserade korsplattformar som också leder till tids- och kostnadsbesparande synergieffekter avseende know-how och kvalitet.

11ehpc01
Fig 1. Embedded-datorbearbetning i molnet (klicka för större bild)

En lämplig tillverkare skall inte bara kunna visa upp många års erfarenhet av tillverkning av standardiserade moduler, utan också kunna referera till ett stort antal olika slags kunder och erfarenheter baserade på den specifika applikationen. Den största skalbarheten när det handlar om maximal effektförlust (och därmed indirekt också maximal beräkningskraft) återfinns idag hos de etablerade embedded-modulstandarder som ingår i PICMG-standarden COM Express. Deras formfaktor ”Basic” med de kompakta måtten på bara 95 x 125 mm² kan förses med processorer med en TDP (thermal design power) på 50 watt och mer utan problem.

De snabbt växande kraven på högre beräknings- och nätverksprestanda inom modul- och embedded-marknaden har också medfört att PICMG definierat en idealisk standard för exakt denna uppgift när de kom till den senaste revisionen av COM Express-standarden. Den har sitt ursprung i COM Express Standard Type 6, som har en dominerande ställning på dagens embedded-marknad. Genom att delvis organisera om signalernas platser i kontakterna kunde man ta bort ett antal grafiksignaler och ersätta dem med fyra 10 Gbit-gränssnitt för att uppfylla kraven på fler och snabbare externa Ethernet-anslutningar. Dessutom lade man till åtta extra PCI Express-banor för att möjliggöra högre genomströmning.

En annan fördel med det designkoncept som används för COM Express är att modulerna inte bara kan användas som mezzanin-kort (plugin-kort) på ett mer eller mindre komplext bärarkort, utan också som kompletta enkortsdatorer (SBC). Detta gör att det blir extra enkelt att bygga system med många moduler. Beroende på hur den termiska konstruktionen är utformad går det att i en och samma 19-tums plugin-enhet bygga in upp till nio Type 7-moduler av Basic-storlek, och därmed upp till 144 CPU-kärnor.

COM Express Type 7-moduler
Som pionjär vid utvecklandet av standardiserade COM-moduler, och sedan länge medlem i PICMG, har Kontron spelat en viktig roll vid skapandet av den nya Type 7-standarden. Företaget kan inte bara erbjuda COM-enheter och standardiserade bärarkort, utan också hjälp med att utveckla kundspecifika bärarkort.

Kontron har under lång tid som ett av de marknadsledande företagen inom embedded-system och olika standarder byggt upp ett kunnande som bidrar till en överlägsen produktkvalitet inom hårdvara och mjukvara, och de därav följande synergieffekterna gör produkterna prisvärda. Nyckelfunktioner som säkerhetsramverket APPROTECT, liksom det sömfritt integrerade och IPMI-komplianta BMC (Baseboard Management Controller), finns tillgängliga till ett antal Kontron-plattformar, vilket förenklar driften och underhållet för kunderna.

Detta möjliggör en omfattande skalning och applikationstransparens, även utanför modul- och embedded-områdena. Uppgraderingar kan utföras genom att helt enkelt byta ut moduler, och komplexa fältbuss- och sensorgränssnitt liksom speciella lösningar för anpassning till olika maskiner kan bibehållas under flera CPU-generationer.

11ehpc02
Fig 2. Type 7-modul med bärarkort

Även om COM Express-standarden redan från början är anpassad för drift i svåra industriella miljöer ger Kontrons långa erfarenhet speciellt av tålig (”ruggad”) datorhårdvara väsentliga extra fördelar. Den höga graden av vertikal integrering, bl a med egna produktionsresurser inom S&T-gruppen, bidrar ytterligare till den långa livslängden och hållbarheten hos Kontrons embedded-produkter.

En annan fördel för alla typer av moln- och molnorienterade applikationer är skalbarheten till Kontrons nya embedded-servrar, liksom den långa moln- och IT-erfarenhet som finns hos moderföretaget S&T. Ingen konkurrent kan idag erbjuda lika skalbara och allomfattande lösningar.

Kontrons eHPC-moduler COMe-bBD7 kan utrustas med ett antal olika CPUer ur Intels Xeon-processorfamilj D-1500 med 2 till 16 CPU-kärnor, 25 till 45 watts TDP och upp till 2,2 GHz klockfrekvens, även i varianter för det utökade temperaturområdet -40 C till +85 C. De båda kortplatserna för DDR4 SODIMM är av typ dubbelkanal med ECC och kan bestyckas med upp till 32 GByte. Förutom de vanliga embedded-funktionerna, som SPI, LPC, SMB, Fast I2C, RTC och stegad watchdog, har modulen dessutom som standard två seriella gränssnitt, fyra USB 3.0/2.0- samt två SATA3-gränssnitt med 6 Gb/s.

De båda 10GbE-kontakterna on-chip, liksom 10/100/1000 Mbit Ethernet-styrkretsen Intel I210IT, kan anslutas till en extern BMC (board management controller) på baskortet via NC-SI (Network Connect Sideband Interface). Denna BMC gör det möjligt att övervaka COMe-bBD7-modulen och stöder fjärrstyrd management och förebyggande underhåll. COMe Evaluation Carrier T7 Board är ett utvärderingskort som nyligen utvecklats speciellt för Kontron COMe-bBD7. Kortet har formfaktorn ATX (305 × 244 mm²) och bildar tillsammans med modulen en nyckelfärdig serverplattform. Det stöder t.ex. fyra 10GbE, 32 PCIe-banor, fyra USB3.0, två SATA3, två RS232, GPIO samt som tillval en IPMI 2.0-kompatibel BMC med KVM-stöd via adapterkort. Kontron tillhandahåller fullständig konstruktionsdokumentation för att möjliggöra snabb utveckling av baskort.

11ehpc03
Fig 3. Blockschema över Kontron COMe-bBD7 (klicka för större bild)

Kontron kan dessutom erbjuda design-in-support av erfarna ingenjörer, vilket ytterligare kan förkorta utvecklingstiderna. Vid behov kan även själva eHPC-modulen modifieras för att optimalt anpassas till specifika kundkrav. Såsom ett sedan långt tillbaka marknads- och teknologiledande företag har Kontron både kompetensen och kapaciteten för sina designtjänster.

Säkerhet har betydelse!
Varje COMe-bBD7-modul kommer som standard med Kontron APPROTECT, en omfattande, plattformsoberoende säkerhetslösning som består av hårdvaru- och mjukvarukomponenter och som kan aktiveras efter inköpet för att skydda användarens egna mjukvaruinvesteringar. Lösningen innehåller moduler för kopieringsskydd, IP-skydd (licensering) samt skydd mot ”reverse engineering” och modifieringar.

Detta ger möjligheter till omfattande licenshantering och helt nya licenserings- och affärsmodeller, som debitering baserad på användningstid och testperioder för olika funktioner. Lösningen kan även läggas in i efterhand i befintliga system. Det integrerade TPM 2.0-chipet (Trusted Platform Module) garanterar högsta grad av säkerhet.

APPROTECT har idag den bredaste skalbarheten av alla integrerade säkerhetslösningar på marknaden. Den stöder allt från nanosystem med en kärna och begränsade resurser upp till stora, flerkärniga servermoduler – allt tillgängligt från en och samma källa! Kontrons nyckelfärdiga lösning garanterar högsta säkerhet för kunddata och kundprogram med minsta implementeringsinsatser.

Hur ser framtiden ut?
Big Data är trenden i framtiden, och allt mer data måste tillförlitligt registreras och bearbetas i fysisk närhet till maskiner och moln. Gränssnitt till sensorer och aktuatorer utgör en i hög grad stabil teknologi, och det är bara kraven på beräkningskraft som växer oproportionellt. Så embedded-lösningar med utbytbara COM-moduler ger oöverträffade pris/prestanda-förhållanden och garanterad framtid. Den robusta konstruktionen möjliggör säker användning direkt i en produktionsmiljö. Möjligheten att lägga ut styrfunktionalitet till realtids eHPC-enheter, liksom den fysiska närheten till produktionsutrustningen, leder till ytterligare kostnadsbesparingar genom konsolidering, utan att säkerhet eller funktionalitet äventyras.

11ehpc04
Fig 4. Konsoliderat realtidssystem med eHPC (klicka för större bild)

Leave a Reply