COM-HPC-Server-Module Industrial-Edge-Server für boomende Märkte entwickeln

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In vertikalen Märkten wie der Fertigungsindustrie, Energiewirtschaft und Smart Citys wächst der Umfang der Datenverarbeitung rasant, was den Edge-Server-Markt boomen lässt. Laut Global Market Insights wird dieser bis 2025 ein Volumen von 29 Milliarden USD für Near- und Far-Edge-Lösungen umfassen. Es benötigt jedoch ein flexibles Konzept, um an dieser Wachstumskurve teilhaben zu können.

Die große Vielfalt der industriellen Anwendungen setzt der Skalierung allerdings Grenzen. Neben anderen Aspekten müssen Industrial-Edge-Server domänenspezifische physische Schnittstellen und Protokolle beherrschen. Server, die für Fabriken vorgesehen sind, müssen eine Industrial-Ethernet-Schnittstelle besitzen, während solche für Smart Grids zum Beispiel die IEC-61850-Protokolle nutzen.

Darüber hinaus stellt jede Anwendung innerhalb einer Branche eigene Hardwareanforderungen. So haben Installationen in Windparks deutlich andere Anforderungen als in Umspannwerken. Ebenso gibt es regionale Abweichungen, zum Beispiel Hersteller in verschiedenen geografischen Regionen, die unterschiedliche Ausprägungen von Industrial Ethernet bevorzugen.

Die Herausforderung: Diversifizierung von Industrial-Edge-Servern umsetzen

Das hohe Maß an Spezialisierung, welches industrielle Architekturen fordern, schließt die Nutzung der meisten serienmäßigen Lösungen aus. In der Vergangenheit haben Industrieunternehmen stattdessen auf maßgeschneiderte Systeme gesetzt, die speziell für die individuellen Umgebung umgesetzt wurden. Die Entwicklung derartiger Hardware kostet jedoch viel Zeit und Geld und ermöglicht nur begrenzte Wiederverwendung von Designs – Eigenschaften, die in sich rasch diversifizierenden industriellen Edge-Märkten äußerst unerwünscht sind.

Der beschleunigte technische Fortschritt macht langsame Produktzyklen nur noch problematischer. Der Aufstieg von KI, die Einführung neuer Datentypen wie Videostreams und enorme Steigerungen bei der Konnektivität dank 5G führen zu einer gravierenden Transformation des industriellen Umfelds. In der Zwischenzeit dringen Enterprise-Fähigkeiten wie Cloud-native Software immer schneller bis zum Edge vor.

Industrieunternehmen müssen sich nun mit wechselnden Arbeitslasten auseinandersetzen, die einer ständigen Weiterentwicklung unterliegen, und endlose Ströme von Edge-Daten verwalten. Um den fortschreitenden Anforderungen an Verarbeitung, Bandbreite und Funktionsumfang gerecht werden zu können, ist ein neues Designkonzept für Industrial-Edge-Server notwendig – eines, wie es die leistungsstarke Computer-on-Module-Technologie (COM-Technologie) liefert.

Die Lösung: COM-HPC-Server-Module

Im Gegensatz zu herkömmlichen Serverdesigns mit Standard-Motherboards nutzen COM-basierte Edge-Server eine Architektur, die aus zwei Boards besteht:

Computer-on-Modules integrieren als austauschbare Off-the-Shelf-Komponente die CPU, Arbeitsspeicher und Steckverbindungen zu Hochgeschwindigkeits-Schnittstellen aus. Sie sind zuständig für zentrale Rechenaufgaben und die Workload-Verarbeitung.

Carrierboards dienen dazu, die anwendungsspezifischen Schnittstellenanforderungen eines gegebenen Designs umzusetzen. Das COM-Konzept ist sehr bewährt und wird im Industriebereich schon seit Jahrzehnten breitflächig eingesetzt. Bis vor Kurzem fehlte den COM-Architekturen jedoch die Unterstützung für Funktionen auf Rechenzentrums-Niveau. Mit der Einführung von COM-HPC hat sich dies nun geändert.

COM-HPC ist der neueste COM-Standard, der von der weltweiten Standardisierungsorganisation PICMG gehostet wird. In Reaktion auf die steigenden Ressourcenanforderungen am Edge entwickelt, hebt COM-HPC das modulare Hardwarekonzept durch umfassende Aktualisierungen für leistungsstarke Serverdesigns auf eine neue Ebene. Moderne COM-HPC-Hardware bietet enorme Verbesserungen bei Rechenleistung und Speicherkapazität, behält die Kosteneffizienz und den kompakten Formfaktor früherer Standards bei.

Zu den wichtigsten Features von COM-HPC-Server zählen 64 PCIe-Lanes, die Bandbreiten bis zu PCIe Gen6 unterstützen. Dies stellt sicher, dass dasselbe Design über Jahre hinweg weiterverwendet werden kann. Zusätzlich bietet die COM-HPC-Architektur bis zu 1 TB DRAM und Plattformmanagement der Enterprise-Klasse mit TDPs bis zu 300 W in Standardformfaktoren. Der neue Standard unterstützt eine Netzwerkbandbreite von bis zu 200 GbE pro Modul und kann für noch höheren Durchsatz mit einer Netzwerkkarte kombiniert werden.

Highlights des COM-HPC-Designs: Ideale Voraussetzungen für Edge-Server, KI und 5G

Das Conga-HPC/sILH belegt die Möglichkeiten des neuen Standards. Es bietet bis zu 48 PCIe-Lanes, Unterstützung für 100 GbE und 2,5 GbE TSN, 22 CPU-Kerne und LR-DIMM-Speicher mit einer Kapazität von bis zu 512 GB. Es kombiniert Computing der Server-Klasse, KI-Beschleunigung und integrierte Sicherheit auf kompakten Abmessungen von gerade einmal 160 mm x 160 mm. Zusätzlich bietet das System maximale thermische Effizienz mit einer Spitzenleistung von 118 W und der Fähigkeit zum Betrieb in einem erweiterten Temperaturbereich.

Welche Vorteile bieten COM-HPC-Server-Module?

Dank des einzigartigen Formfaktors, der durch die Kombination von Computer-Modulen mit Carrierboards entsteht, bieten COM-basierte Designs eine hohe Anwendungsflexibilität, Performance und Mehrwert bei Stückzahlen von bis zu 20.000 Einheiten und mehr. Gleichzeitig bieten sie gegenüber Standard-Edge-Servern zahlreiche Vorteile.

Vereinfachtes Anfangsdesign: Entwickler müssen nicht länger angepasste Board-Designs von Grund auf neu entwickeln, sondern können sich stattdessen mittels der Carrierboards ganz auf die anwendungsspezifischen Funktionen konzentrieren.

Re-Use und Re-Design: Dank ihrer Modularität können COM-basierte Designs problemlos für angrenzende Märkte und Anwendungen umfunktioniert werden, ohne das Rad neu erfinden zu müssen.

Anpassbarkeit: Die applikationsspezifische Auslegung auf individuellen Anforderungen mit spezifischen Schnittstellen, I/Os, Workload-Beschleunigern und weiteren Features erfolgt über das Carrierboard.

Gesamtbetriebskosten: COMs sind ideal für den Einsatz in kleinen und mittlerer Stückzahlen geeignet, da sie im Vergleich zu Full-Custom-Designs eine optimierte Kosteneffizienz bieten.

Skalierbarkeit: Anwender können entsprechend ihrer individuellen Performance-Anforderungen und Anwendungsfalls das passende Modul auswählen und bei wachsenden Anforderungen einfach aufrüsten oder austauschen.

Zukunftssicherheit: Mit einer jahrzehntelangen Historie abwärtskompatibler Aktualisierungen des COM-Standards können Entwickler auf die COM-HPC-Roadmap vertrauen.

Intels Xeon-D-Prozessoren für Applikationen an der Edge

Die Features der neuen Intel-Xeon-D-Prozessoren (Codename Ice Lake D) erweitern die Vorteile des COM-HPC-Server Standards noch zusätzlich. Als aktualisierte Variante der robusten Intel Xeon D-1700 und 2700er Prozessorreihe wurden diese Chips speziell für Embedded-Systeme und robuste Edge-Applikationen in rauen Umgebungen entwickelt.

Mit bis zu 20 Kernen, DDR4-Speichercontroller und PCIe-4.0 bieten sie außergewöhnliche Performance pro Watt (8 – 15 Prozent höhere ISO-TDP) in einem skalierbaren Portfolio von 40 – 118 W TDP pro SKU. Sie sind mit verschiedenen hardwarebeschleunigten Sicherheitstechnologien ausgestattet, darunter Intel QuickAssist (Intel QAT), Boot Guard, Total Memory Encryption und Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Für Workloads, die erweiterte Berechnungen erfordern, unterstützen Intels Ice-Lake-D-Prozessoren auch Intel AVX-512, Vector Neural Network Instructions (VNNI), und Vector Bit Manipulation Instructions (VBMI).

Darüber hinaus beseitigen diese Intel-Prozessoren eines der größten Probleme von Servern in rauen Edge-Umgebungen: Sie bieten hervorragende thermische Effizienz. Ingenieuren, die einen COM-HPC-basierten Edge-Server konstruieren möchten, kann Congatec als Ideengeber dienen, wie die verfügbaren Funktionen über leistungsstarke Kühllösungen bis zum Maximum ausgeschöpft werden können. Zu den verfügbaren aktiven und passiven Kühlmöglichkeiten zählen Kühlkörper, Heatspreader und Heatpipes.

Fazit: COM-HPC bietet Flexibilität am Industrial-Edge

Das schnelle Wachstum von Industrial-Edge-Servern eröffnet überzeugende Geschäftsmöglichkeiten. Um diesen Markt zu bedienen, können Entwickler die neuen COM-HPC-Module einsetzen, um erhebliche Vorteile bei den Gesamtbetriebskosten und der Markteinführungszeit umzusetzen. Gleichzeitig können sie so die Wiederverwendbarkeit der Designs erreichen, um leichter einen größeren Teil dieses äußerst vielfältigen Marktes abzudecken – ebenso wie viele weitere Bereiche, zum Beispiel Robotik, medizinische Bildgebung, autonomes Fahren und vieles mehr. (mk)

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* Zeljko Loncaric ist Market Segment Manager Infrastructure bei congatec.

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