Sponset artikkel - COM-HPC standard i industriell kommunikasjonsinfrastruktur

Modulære 5G-celler for sanntidskommunikasjon

Sanntidskompatible 5G-celler med integrerte kantservere er en nøkkelteknologi for digital transformasjon, og åpner en mengde nye muligheter for IIoT, Industri 4.0 og kritiske infrastrukturapplikasjoner.

Publisert

For å kunne behandle data i sanntid og med lav latens i tøffe produksjons- og utendørsmiljøer må slike løsninger imidlertid herdes spesielt. For dette formålet lanseres nå verdens første COM-HPC Server-on-Modules som er designet for drift utenfor luftkondisjonerte datasentre i industrisektoren.

Figur 1: Industrielle 5G-celler kan ha ekstremt forskjellige oppgaver. Server-on-Modules, eller server-på-moduler, som gjør 5G-nettverk og kant-databehandling skalerbar, gjør det mulig for OEM-er å kostnadseffektivt skalere ytelsen til små celler som knapt er større enn en pizzaboks.
Figur 1: Industrielle 5G-celler kan ha ekstremt forskjellige oppgaver. Server-on-Modules, eller server-på-moduler, som gjør 5G-nettverk og kant-databehandling skalerbar, gjør det mulig for OEM-er å kostnadseffektivt skalere ytelsen til små celler som knapt er større enn en pizzaboks.

Digital transformasjon i industriell produksjon krever raske sanntidsnettverk, men det er ikke alltid mulig å legge kabler overalt. 5G-standarden er derfor en reell revolusjon for industriell kommunikasjon ettersom den muliggjør pålitelig trådløs distribusjon og prosessering av enorme mengder data i sanntid og, viktigere, over lengre avstander enn med WLAN. Og siden både stasjonære og mobile enheter kan bruke 5G-nettverket, blir det mulig å koble sammen hele fabrikker. For slike brukstilfeller kan 5G håndtere en stor mengde nettverksenheter og tilbyr korte respons- og latenstider i millisekundområdet. Med nettverks-«skiver» åpner 5G også muligheten for å lage uavhengige virtuelle nettverk som er logisk atskilt til et enkelt fysisk nettverk. Til slutt gir 5G også grunnlaget for skybaserte arkitekturer som, med 5G-basert kantprosessering, blir sanntidskompatible «tåke»-servere som kan kommunisere trådløst med alle typer enheter.

For forretningskritiske applikasjoner

Åpningen av frekvensområdet 3,7 til 3,8 GHz for private mobilnett betyr at 5G kan brukes og drives privat av et bredt spekter av campusnettverk i Industri 4.0-miljøer og kritiske infrastrukturer i mange andre bransjer. Skalerbarheten til disse private infrastrukturene og kompatibiliteten til 5G med tidligere mobilkommunikasjonsstandarder, som også kan forventes for fremtidige generasjoner, gir også høy investeringssikkerhet. Flere og flere bedrifter etablerer derfor sine egne private, lokale 5G-nettverk for å drive forretningskritiske applikasjoner og for å digitalisere produksjonen – en trend som forventes å forsterkes i årene som kommer, ifølge en fersk studie fra MarketsandMarkets.

Bedrifter kan selvfølgelig også bruke offentlige nettverk. Men i landlige områder der den offentlige basestasjonen (også kjent som makrocellen) bruker 700 MHz-båndet for å oppnå områder på 15-20 km, er datahastigheten begrenset til mellom 100 og 200 megabit per sekund. Selv om dette er nok til at et stort bilfabrikk kan forsyne et helt fabrikkområde – som i tilfellet med VW i Wolfsburg dekker mer enn 6 kvadratkilometer – med en enkelt 5G-celle, er ikke den tilgjengelige båndbredden tilstrekkelig for en fullt tilkoblet fabrikk. Dette vil kreve hele båndbredden til 5G-datakapasiteten, og det er grunnen til at bedrifter ønsker å bygge sine egne campusnettverk. Frekvensen på 3,7 til 3,8 GHz til slike nettverk tillater maksimale oppstrømshastigheter på 100 til 200 Mbit/s og nedlastingshastigheter på 200 til 1000 Mbit/s. Imidlertid er celleområdet begrenset til et sted mellom 300 meter og 3 kilometer med en direkte siktlinje. Et fabrikkanlegg krever derfor mer enn én celle. Dette er ofte svært kompakte såkalte små- celler eller femtoceller. Små celler er omtrent på størrelse med en pizza-eske. Uten integrert kantserverteknologi er de enda mindre femtocellene omtrent på størrelse med en pocketbok og tilgjengelig for privat kjøp.

Robust 5G edge-serverteknologi åpner nye ytelsesdimensjoner

I slike installasjoner bør kantserver-infrastrukturen bak 5G-mikrocellene ideelt sett leveres direkte i eller ved basestasjonen/RAN (Radio Access Network)-infrastrukturen ved å distribuere VNF (Virtual Network Functions). Selv om andre distribusjonsscenarier andre steder i infrastrukturen, for eksempel i mikrodatasentre, også er mulig forutsatt at latenskravene er oppfylt. Fordelen med en delt maskinvareplattform er at både skykant-serverfunksjonalitet og nettverk funksjonsvirtualisering (NFV) kan distribueres sammen i sentralenheten (CU).

Cellene krever integrering av all nødvendig maskinvare for å generere og behandle 5G-signalene. Dette danner det fysiske grensesnittet mellom 5G-radionettet og det digitale basebåndet. I tillegg må serverytelsen som kreves for de enkelte kant-serverfunksjonene også integreres. Siden funksjonene kan variere fra applikasjon til applikasjon, anbefales en modulær designtilnærming med server-på-moduler. I dette tilfellet kan de applikasjonsspesifikke funksjonene realiseres på bærerkortet – inkludert for eksempel implementering av 5G-radiologikken med passende utvidelsesmoduler. Med server-på-moduler basert på den nye PICMG COM-HPC-standarden og med den nye Intel Xeon D-prosessorer, kan utviklere få tilgang til en ytelsesklasse som tidligere var uoppnåelig for tøffe miljøer. Disse robuste modulene kan brukes i det utvidede temperaturområdet fra -40°C til +85°C, er designet for langsiktig tilgjengelighet, og tilbyr spesiell beskyttelse mot elektromagnetisk interferens samt støt og vibrasjoner.

For å gi den nødvendige ytelsen har modulene opptil 20 kjerner, opptil 1 TB minne på opptil 8 DRAM-sokler ved 2933MT/s, opptil 47 PCIe-baner per modul totalt og 32 PCIe Gen 4-baner med dobbel gjennomstrømning pr. bane, samt opptil 100 GbE tilkobling og støtte for tidskoordinert databehandling (TCC) og tidssensitiv nettverk (TSN), for å muliggjøre sanntidskommunikasjon mellom enheter. Betydelige ytelsesøkninger forventes i fremtiden med utgivelsen av nye moduler. Ytelsen som er tilgjengelig i dag er imidlertid helt tilstrekkelig for dagens campusnettverksdesign med Open-RAN-løsninger som bruker totalt 5 serverprosessorer for backhaul-pakkekjernen og midhaul CU/DU-serverne. Disse krever imidlertid klimaanlegg og kan ikke brukes i det utvidede temperaturområdet. Ved å konsolidere disse funksjonene i en enkelt mikrocelle, blir det tenkelig å implementere mindre ytelsesdyktige, men sanntidskompatible små 5G-celler på kun to virtualiserte moduler.

Figur 2: Hvis 5G-celler støtter TSN, kan de være vert for sanntidsapplikasjoner
Figur 2: Hvis 5G-celler støtter TSN, kan de være vert for sanntidsapplikasjoner

Deterministisk sanntid med skybasert virtualisering

Men for å kunne kjøre forskjellige sanntidsapplikasjoner uavhengig på kun én kantserver, trenger du også serverbalansering og serverkonsolideringstjenester. Begge kreves også for støtte fra plattformen til sanntidskompatible virtuelle maskiner, som sørger for serverfunksjonaliteten for kommunikasjonsbehovene til 5G-abonnenter. Sanntidshypervisoren fra Real-Time Systems er ideell for dette formålet, for eksempel. Slik virtualisering gjør det mulig for bedrifter å bruke sine private 5G-nettverk for heterogene sanntidsapplikasjoner som er vert på en enkelt serverplattform ved å bruke nettverksskiver. Deretter kan dedikerte systemressurser allokeres til individuelle oppgaver og prosesser for å sikre determinisme. Server-på-moduler fra congatec er designet for slike brukstilfeller og kan raskt modifiseres for å inkludere nødvendige parameteriseringer for sanntids samlokaliseringstjenester, der ulike applikasjoner deler ressurser. Dette gjør det mulig for fabrikkoperatører å levere sanntidskompatible 5G-kantdataservere mer effektivt for tjenester som maskinautomatisering, robotkontroll eller automatisert logistikk i sine produksjonsanlegg.

En annen fordel med de nye modulene er at de allerede integrerer TSN i prosessormodulen. Hvis 5G-kjernelogikken også støtter TSN, muliggjør modulene standardisert datautveksling og kontinuerlig, transparent kommunikasjon fra sensoren til skyen, for eksempel ved bruk av OPC UA som en åpen sanntidskommunikasjonsprotokoll. 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA), en arbeidsgruppe i den ledende tyske produsentorganisasjonen ZVEI, utvikler de nødvendige spesifikasjonene for QoS, nettverkssikkerhet og fremfor alt TSN-integrasjon. Dette skulle til og med muliggjøre jitterfri isokron sanntid, der kommunikasjonssyklustider er nøyaktig klokket og kan synkroniseres i begge retninger fra 100µs til 2ms.

Figur 3: Tilpassede bærerkort kan til og med utformes for 5G-celler i lyktestolper.
Figur 3: Tilpassede bærerkort kan til og med utformes for 5G-celler i lyktestolper.

I fremtiden vil COM-HPC-spesifikasjonen utvides til å omfatte funksjonell sikkerhet. Moduler som støtter denne funksjonaliteten kan deretter brukes som sentrale kontroller for autonome intralogistikkkjøretøyer som slepebåter, lastbærere, gaffeltrucker, samlebåndskjøretøyer eller pallevogner, eller for å orkestrere samarbeidende roboter. Dette vil gjøre det mulig å levere forhåndssertifiserte datamoduler som gjør det enklere og raskere for kundene å realisere nye sikkerhetsapplikasjoner.

Alt-i-ett-løsningen:
COM-HPC Server-on-Modules for 5G mikroceller

De nye COM-HPC Server-on-Modules revolusjonerer kantserverdesign på tre måter: Robust serverdesign med de nye Intel Xeon D-prosessorene kan implementeres i mikrocellene til private 5G-nettverk uten ekstra klimaanlegg. Dette samt støtte for det utvidede temperaturområdet, gjør de nye designene egnet for bruk utover standard industrielle miljøer, inkludert utendørs og mobile applikasjoner i byggeindustrien eller landbruket. Verdens første COM-HPC Server-på-moduler fra congatec gir betydelig forbedret ytelse og skalerbarhet, og tilbyr massivt høyere minnebåndbredde med opptil 20 kjerner og opptil 8 DRAM-sokler. Foruten å være «industri-først», muliggjør de også deterministisk sanntid i industriell IoT. Dette gjør dem til det ideelle grunnlaget for å bygge tilpassede 5G-celler med integrert kantserverteknologi som en alt-i-ett-løsning.

Figur 4: Serverkonsolidering på den industrielle 5G-kanten: Opptil 20 kjerner kan være vert for en rekke 5G NVF og industrielle sanntidsapplikasjoner.
Figur 4: Serverkonsolidering på den industrielle 5G-kanten: Opptil 20 kjerner kan være vert for en rekke 5G NVF og industrielle sanntidsapplikasjoner.

For 5G-nettverksadministratorer tilbyr de nye modulene også et sett med applikasjonsspesifikke serverfunksjoner av høy kvalitet: For forretningskritiske design inkluderer disse kraftige maskinvaresikkerhetsfunksjoner som Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption - Multi-Tenant (Intel TME-MT) og Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Omfattende funksjonalitet for ekstern applikasjonsserver (RAS) støtter eksterne maskinvareadministrasjonsfunksjoner som IPMI og Redfish, som det også er en PICMG-spesifikasjon for som sikrer interoperabiliteten til slike implementeringer. Til slutt tilbyr congatec også omfattende tjenester for å hjelpe med individuelle systemutviklinger og kundespesifikke implementeringer. Disse tjenestene spenner fra COM-HPC designopplæring til personlig integrasjonsstøtte og samsvarstesting av kundespesifikke bærekortdesign.

Tilgjengelig nå: Server-on-Modules med Intel Xeon D

Tilgjengelig nå: Server-on-Modules med Intel Xeon D

Applikasjonsklare eksempler av server-på-modulene nedenfor er nå tilgjengelige, inkludert egnede robuste kjøleløsninger for den gitte prosessor-TDP. På programvaresiden kommer de nye modulene med omfattende pakker for Windows, Linux og VxWorks, samt RTS-hypervisor. Støttede varianter med høyt kjernetall (HCC) og lavt kjerneantall (LCC) i Intel Xeon D-prosessorserien inkluderer:

HCC-varianter

COM-HPC Server Size E-moduler (conga-HPC/sILH) tilbys i 5 forskjellige Intel Xeon D 27xx HCC-prosessorvarianter med et utvalg av 4 til 20 kjerner, 8 DIMM-sokler for opptil 1 TByte på 2933 MT/s raskt DDR4-minne med ECC, 32x PCIe Gen 4 og 16x PCIe Gen 3, og 100 GbE gjennomstrømning pluss sanntids 2,5 Gbit/s Ethernet med TSN/TCC-støtte ved en prosessor grunneffekt på 65-118 Watt.

LCC-varianter

De nye COM-HPC Server Size D-modulene så vel som de tradisjonelle COM Express Type 7-modulene kommer med 5 forskjellige Intel Xeon D 17xx LCC-prosessorer med et utvalg av 4 til 10 kjerner. Mens conga B7Xl COM Express Server-on-Modules støtter opptil 128 GB DDR4 2666 MT/s RAM på opptil 4 SODIMM-sokler, tilbyr conga-HPC/SILL COM-HPC Server Size D-modulen 4 DIMM-sokler for opptil 256 GB 2933 MT/s DDR4 RAM eller 128 GB med ECC UDIMM RAM. Begge modulfamiliene tilbyr 16x PCIe Gen 4 og 16x PCIe Gen 3 baner. For rask nettverksbygging gir de opptil 50 GbE gjennomstrømning og TSN/TCC-støtte via 2,5 Gbit/s Ethernet og 40 67 Watt prosessorkraft.

Powered by Labrador CMS