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Liberté illimitée pour les serveurs Edge

Par Andreas Bergbauer, Responsable produits pour les processeurs Intel Xeon-D, Congatec

Publication: 20 juin

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Processeurs Intel Xeon D sur server-on-modules COM-HPC...
 

Depuis que des fabricants comme congatec ont mis les processeurs Intel Xeon D sur des server- on-modules COM-HPC, les installations de serveurs périphériques ont été libérées du strict confinement thermique des salles de serveurs climatisées et peuvent enfin être utilisées chaque fois que de grandes quantités de débit de données avec les plus faibles latences possibles sont nécessaires jusqu’au temps réel déterministe.

Pour faciliter la communication avec les systèmes clients en temps réel et sans délai, les données sont généralement traitées à la périphérie des réseaux de communication, dans des serveurs périphériques, plutôt que dans des clouds centraux. Malheureusement, cette situation est problématique pour les fabricants de serveurs, de réseaux et de technologies de stockage : jusqu’à présent, ils ont toujours produit des racks pour leurs systèmes, où la gestion thermique des racks et la climatisation des salles de serveurs sont régulées par des concepts de ventilation active et une climatisation puissante. Néanmoins, ces méthodes ne conviennent plus lorsqu’il s’agit de serveurs périphériques.

L’ASHRAE (American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers) dispose déjà d’une expérience considérable dans l’installation concrete de serveurs périphériques dans des environnements difficiles. Cette association a également fait des propositions concrètes pour s’assurer que les data centers périphériques restent compatibles avec une climatisation performante et la meilleure isolation disponible afin de les protéger de la chaleur et du froid.

Libérer les serveurs edge des contraintes de la climatisation

Cela dit, l’ASHRAE conseille que, pour obtenir des performances optimales, les data centers périphériques ne doivent subir qu’un changement de température maximal de 20 degrés Celsius en une heure et un changement de température maximal de 5 degrés Celsius en 15 minutes. Il est malheureusement difficile d’y parvenir, car cela nécessiterait une technologie de climatisation poussée. En outre, il est encore plus difficile de respecter ces directives lorsqu’on effectue des travaux de maintenance sur des data centers périphériques dont la taille est inférieure à celle d’une cabine téléphonique par exemple, car les fabricants devraient pouvoir travailler sur ces solutions pendant la phase de maintenance et à n’importe quelle température ambiante. Il serait évidemment impossible d’accéder rapidement à de tels systèmes à l’aide d’un verrou de contrôle, puis de faire vite pour refermer la porte pour effectuer simplement la maintenance dans la salle de serveur edge entièrement climatisée.

Par conséquent, dans les environnements difficiles, les serveurs périphériques et les data centers ont besoin de systèmes conçus pour gérer plus efficacement les variations de température et qui peuvent également fonctionner dans une plage de températures beaucoup plus étendue que celle de 0 à 40 degrés Celsius, généralement recommandée pour les équipements informatiques intérieurs. Au lieu de cela, il est impératif d’envisager des systèmes embarqués qui peuvent fonctionner à des températures ambiantes allant du froid arctique de -40°C à une chaleur de 85°C Celsius qui sont plus courantes dans les environnements industriels. Chaque composant doit donc être évalué en conséquence.

Des conceptions d’avant-garde peuvent contribuer à réduire les dépenses de climatisation

La technologie des processeurs est l’aspect le plus sensible de la conception des serveurs edge, des réseaux et des technologies de stockage. C’est en effet de cela que dépend entièrement le respect des directives de l’ASHRAE et donc d’investissements importants dans la technologie de climatisation et d’isolation, ainsi que dans les coûts d’exploitation dus à la consommation d’énergie secondaire. Par ailleurs, les fabricants peuvent également décider de s’appuyer sur d’autres types de systèmes qui ne nécessitent pas ces efforts pour fonctionner efficacement à des températures extrêmes et qui peuvent être déployés dans des environnements difficiles de manière plus rentable. Certains de ces systèmes comprennent, entre autres, les éléments suivants : installations en usine, équipements extérieurs pour les communications, vidéosurveillance et autres infrastructures critiques, et serveurs dans des systèmes mobiles allant des trains et des avions aux navettes autonomes dans les villes intelligentes.

Depuis l’émergence des processeurs Xeon D, des serveurs robustes ont émergé et peuvent être utilisés sur une large plage de températures allant de -40 °C à 85 °C. Ainsi, des serveurs hautes performances peuvent également être libérées des contraintes thermiques rigides des salles de serveurs climatisées et être installés partout où un débit massif de données sans latence est nécessaire à la périphérie de l’Internet des Objets et des usines de l’Industrie 4.0.

De multiples exigences spécifiques pour la conception système

Néanmoins, un serveur edge robuste ne se définit pas uniquement par son processeur. En fait, une connaissance approfondie de la technologie est également fondamentale pour répondre aux besoins de conception de systèmes construits pour des environnements difficiles.

Chaque système doit être évalué en conséquence et une attention particulière doit être accordée à la conception de la carte de circuit imprimé et de la carte ainsi qu’aux revêtements spécifiques qui protègent contre l’eau de condensation et d’autres influences environnementales. En outre, des mesures strictes supplémentaires sont nécessaires pour se prémunir contre les signaux électromagnétiques et haute fréquence externes qui pourraient affecter les performances de l’appareil.

Quant aux technologies informatiques embarquées, des fabricants comme congatec ont une expérience considérable dans la conception de ces systèmes, car ils intègrent généralement des technologies PC standards, comme les processeurs Intel Core, dans les systèmes embarqués d’une manière compatible avec une utilisation industrielle. Les développeurs connaissent bien les conditions et les normes de certification définies dans les différentes industries et ont l’habitude de créer des systèmes durables pour s’assurer qu’ils répondent aux exigences de l’industrie et ont la capacité d’offrir des solutions OEM avec des configurations de cartes identiques pendant 7 à 15 ans. En ce qui concerne les applications industrielles, ils savent que les modèles sont très différents des systèmes bureautiques, car les applications industrielles nécessitent généralement un certain niveau d’évolutivité qui fait de la conception modulaire avec computer-on-modules le meilleur moyen de développer des cartes. Enfin, les développeurs reconnaissent le caractère essentiel de la normalisation et c’est en grande partie la raison pour laquelle des normes internationales ont été conçues pour ces modules.

Atteindre plus efficacement les objectifs grâce aux normes

Cette riche expérience a maintenant été mise en oeuvre dans la conception de serveurs périphériques pour l’industrie avec la spécification COM-HPC server ; les développeurs ont maintenant un accès sans précédent à de vrais produits avec l’émergence des processeurs Intel Xeon D. Dans le cadre de la norme COM-HPC server, les nouveaux server-on-modules s’avèrent très bénéfiques pour les développeurs qui peuvent incorporer les modules en tant que logique informatique embarquée prête à l’emploi dans leurs cartes porteuses. Ainsi, ils n’auront pas à s’occuper de la technologie processeur et se concentreront plutôt sur les spécifications pour savoir positionner les composants et mettre en place les interfaces sur la carte porteuse. C’est précisément pour cette raison que le comité de normalisation du PICMG a adopté dernièrement le COM-HPC Carrier Design Guide. En fin de compte, ce guide est fondamental pour créer des plates-formes informatiques embarquées interactives et optimisables, adaptées aux besoins des clients et reposant sur la nouvelle norme, et pour faciliter le processus d’apprentissage des développeurs qui tentent de se familiariser avec la norme.

La conception de cartes-mères classiques n’ont que des interfaces standard à bord, vers l’arrière de la carte (E/S arrière). Par conséquent, leur adaptabilité aux serveurs périphériques industriels pour l’Internet des Objets est limitée. En outre, elles ne sont pas préparées à gérer la vaste plage de températures de - 40°C à +85°C et n’ont pas une longévité de 7 à 15 ans. Avec les server-on-modules, les fabricants peuvent tirer parti de la mécanique de ces formats et concevoir la carte porteuse de manière à faciliter la mise en oeuvre des interfaces là où elles sont requises.

Intel Xeon D sur COM-HPC server Taille E et Taille D : nombre d’emplacements RAM différent, ce qui affecte également la taille des modules.

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Conception simplifiée de serveurs edge robustes

Pour simplifier encore plus les choses, congatec aide les développeurs en leur proposant une présentation panoptique des règles de conception COM-HPC server et client grâce à son académie de formation en ligne et sur site récemment mise en place. C’est l’occasion pour les développeurs de tirer parti des enseignements donnés par des experts sur des projets embarqués et périphériques haut de gamme basées sur la nouvelle norme Computeron- Module. Pendant la formation, les instructeurs passent en revue les bases de conception requises et suggérées ainsi que les schémas des meilleures pratiques des cartes porteuses et des accessoires COM-HPC, comme les solutions de refroidissement sans ventilateur haut de gamme pour les serveurs qui atteignent, voire dépassent, 100 watts. Les cartes porteuses d’évaluation pour les modules COM-HPC server servent de référence à la formation sur la mise en oeuvre du processeur Intel Xeon D. Elles offrent l’ensemble des fonctionnalités dont les développeurs ont besoin pour concevoir des serveurs. Elles offrent un ensemble complet de fonctionnalités que les développeurs peuvent utiliser comme plates-formes de prototypage lorsqu’il est nécessaire de développer des applications supplémentaires.

L’objectif principal de l’académie de formation congatec est de présenter aux développeurs les bases essentielles de la conception COM-HPC, y compris : les principes de la couche PCB, les règles de gestion de l’alimentation et les exigences en matière d’intégrité du signal, ainsi que la sélection des composants. Les sessions portant spécifiquement sur les interfaces de communication mettent en lumière les erreurs courantes et les difficultés rencontrées lors de la conception difficile de communications série à haut débit allant de PCIe Gen 4 et 5 à USB 3.2 Gen 2 et USB 4 avec Thunderbolt sur USB-C à Ethernet à 100 Gigabit ainsi que la gestion des signaux bande latérale pour les interfaces KR Ethernet 10G / 25G / 40G / 100G qui doivent être désérialisées sur la carte porteuse dans le COM-HPC. Enfin, ces sessions montrent également comment les meilleures pratiques de conception utilisent les normes d’interface comme eSPI, I²C et GPIOs.

Doté d’un maximum de 20 coeurs, il existe de nombreuses options pour exécuter en toute sécurité une grande variété d’applications en temps réel grâce à la technologie de virtualisation de Real-Time Systems.

La formation se termine par des démonstrations de mise en oeuvre du firmware de modules x86 avec BIOS intégré, de fonctions de contrôleur de gestion de la carte et de contrôleur de gestion de module. Enfin, cette formation comprend également des présentations sur les stratégies de vérification et de tests afin de mettre en évidence les diverses difficultés rencontrées comme les problèmes de vérification initiale de la conception de la carte porteuse et les tests de production en série. Grâce à cette opportunité d’apprentissage complète offerte par la congatec Academy, congatec contribue à simplifier la conception de serveurs périphériques robustes. En outre, congatec et son vaste réseau de partenaires peuvent également fournir aux clients OEM des systèmes complets basés sur les nouveaux modules COM-HPC server.

Briser les barrières avec des serveurs edge aux charges de travail accélérées

En outre, les nouveaux server-on-modules COM-HPC de taille E et D équipés de processeurs BGA Intel Xeon D - initialement connus sous le nom de code Ice Lake D - ne prennent pas seulement en charge des températures étendues de 40 °C à 85 °C. Ces modules sont également capables de libérer les serveurs périphériques antérieurs de nombreuses contraintes, et, par conséquent, d’accélérer considérablement la prochaine génération de charges de travail micro-serveur en temps réel dans des environnements difficiles et des plages de températures étendues. La mise à niveau comprend jusqu’à 20 coeurs, jusqu’à 1 To de mémoire sur jusqu’à 8 emplacements DRAM à 2933MT/s, un total de jusqu’à 47 voies PCIe du module avec 32 voies PCIe Gen 4 avec un débit doublé par voie, et une connectivité jusqu’à 100GbE ainsi que le support TCC/TSN. Les serveurs de stockage et d’analyse vidéo bénéficient également de la prise en charge intégrée d’Intel AVX-512, de VNNI et d’OpenVINO pour l’analyse de données basée sur l’IA.

Un tournant pour la conception de serveurs edge en temps réel

À cet égard, le lancement des server-on-modules COMHPC basés sur Ice Lake D représente une percée en raison de trois aspects essentiels :

1. grâce à la prise en charge d’une plage de températures étendue, les server-on-modules Intel Xeon D peuvent désormais gérer les applications extérieures et automobiles, en plus des environnements industriels typiques ;

2. les server-on-modules COM-HPC, premiers du genre, permettent désormais d’atteindre un nombre sans précédent de 20 coeurs et, avec jusqu’à 8 emplacements DRAM, de prendre en charge une bande passante mémoire beaucoup plus large que ce qui était auparavant possible avec les server-on-modules d’autres spécifications PICMG ;

3. ces modules serveur offrent des capacités en temps réel concernant les coeurs processeur et l’Ethernet en temps réel compatible TCC/TSN, ce qui est fondamental pour la numérisation dans les projets IIoT et Industrie 4. 0.

Pour réussir les services d’équilibrage et de consolidation des serveurs pour installer des serveurs déterministes en temps réel à la périphérie, qui peuvent exécuter plusieurs applications en temps réel séparément sur un seul serveur périphérique, les plates-formes doivent être compatibles avec les machines virtuelles capables de fonctionner en temps réel, comme celles fournies par l’hyperviseur RTS de Real-Time Systems, par exemple. Les usines Industrie 4.0 situées à la périphérie de leurs réseaux 5G privés pourraient ainsi proposer diverses applications en temps réel sur une seule plate-forme serveur et allouer les ressources système uniquement à des processus dédiés. Les Server-on-Modules proposés par congatec sont déjà prêts pour prendre en charge ces services. congatec ajoute également de telles installations ainsi que tous les paramétrages nécessaires à la liste déjà longue des services qu’elle propose pour les nouveaux modules COM-HPC.

Les modules sont également convaincants grâce à leurs caractéristiques de niveau serveur : pour les conceptions critiques, ils sont dotés de fonctions de sécurité matérielle robustes comme Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption-Multi-Tenant (Intel TME-MT) et Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Pour une performance optimale en matière de fiabilité, d’accessibilité et de facilité d’entretien (RAS), les modules processeurs intègrent le moteur de gestion Intel ME et sont compatibles avec les applications de gestion matérielle à distance telles que IPMI et Redfish, comme défini par le PICMG. Cela contribue à garantir l’interopérabilité, autre sujet abordé dans les sessions de formation de la congatec Academy.

Server-on-Modules pour Intel Xeon D au choix

Les nouveaux modules seront disponibles dans les variants HCC (high-core-count) et LCC (low-core-count) de la série de processeurs Intel Xeon D :

- Les modules COM-HPC Server Taille E (conga- HPC/sILH) comprennent 5 processeurs Intel Xeon D 2700 HCC différents, avec la possibilité de sélectionner 4 à 20 coeurs et un PBP (processor base power) compris entre 65 et 118 watts. Il y a toujours 8 emplacements DIMM pour jusqu’à 1 To de mémoire DDR4 rapide à 2933 MT/s avec ECC, 32x PCIe Gen 4 et 16x PCIe Gen 3, et un débit de 100 GbE ainsi qu’un Ethernet 2.5 Gbps capable de fonctionner en temps réel avec support TSN et TCC.

- Les modules COM-HPC Server Taille D et les modules basés sur les normes COM Express Type 7 comprennent 5 processeurs Intel Xeon D 1700 LCC différents avec la possibilité de choisir entre 4 et 10 coeurs et un PBP (processor base power) allant de 40 à 67 watts. Les Server-on-Modules COM Express conga-B7Xl prennent en charge jusqu’à 128 Go de RAM DDR4 à 2666 MT/s via jusqu’à 4 emplacements SODIMM et le module COM-HPC Server Taille D conga-HPC/SILL propose 4 emplacements DIMM pour jusqu’à 256 Go de RAM DDR4 rapide à 2933 MT/s ou 128 Go avec de la RAM UDIMM ECC. Les deux modules disposent de 16 voies PCIe Gen 4 et 16 voies PCIe Gen 3. Pour une mise en réseau rapide, ils offrent un débit allant jusqu’à 50 GbE et une prise en charge TSN TCC sur Ethernet 2,5 Gbps.

Ces modules sont disponibles sous forme d’échantillons d’évaluation prêts à l’emploi, accompagnés de solutions de refroidissement robustes correspondant au TDP du processeur. Ces solutions comprennent un refroidissement actif haute performance avec des adaptateurs de caloducs ainsi que des solutions de refroidissement entièrement passives pour obtenir la meilleure résistance mécanique contre les vibrations et les chocs et aussi pour atténuer le stress thermique pour les applications qui doivent gérer des variations de température élevées à court terme. Concernant les fonctionnalités logicielles, les nouveaux modules sont livrés avec des BSP complets pour Windows, Linux et VxWorks et la technologie d’hyperviseur RTS.

Conception COM-HPC multi-module : Design de référence pour apprentissage automatique par IA-Clustering

La conception de serveurs périphériques COM-HPC ne se fait pas uniquement en version mono-module. Les prototypes prennent également directement en charge les cartes multi-modules avec diverses configurations de modules COM-HPC, par exemple avec des FPGA ou des accélérateurs de calcul GPGPU. Les modules COMHPC serveur et client peuvent également être utilisés ensemble sur une même carte. Par exemple, en collaboration avec l’Université de Bielefeld et Christmann IT, congatec développe actuellement un concept de serveur périphérique intégrant plusieurs modules COMHPC différents sur une carte porteuse afin de gérer des charges de travail en temps réel extrêmes sur une consolidation multi-système pour apprentissage automatique par AI clustering de données haute dimension (cartes auto-adaptatives).

https://www.congatec.com/

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