Prestazioni al top per server in formato COM Express con pinout Type 7

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congatec presenta un ecosistema completo per microserver e server e edge con dissipazione massima di 100 W

Le elevate prestazioni sono sicuramente il tratto distintivo dei microserver e server embedded da utilizzare alla periferia della rete (edge). Chiunque voglia sviluppare sistemi scalabili ad alte prestazioni di questo tipo utilizzando i server-on-module progettati per l’uso in ambienti gravosi devono poter disporre di un ecosistema basato su moduli COM Express con pinout Type 7 che supportino il funzionamento in modalità fanless (ovvero senza ventole) con un TDP (che fornisce un’indicazione del calore dissipato da un microprocessore) massimo di 100 W. congatec ha, per la prima volta, avviato la produzione in volumi dei primi moduli equipaggiati con i processori operanti a 3 GHz della serie EPYC Embedded 3000 di AMD ospitati in package dual-die e offerti in configurazioni con un massimo di 16 core e 32 thread.

La possibilità di aggiornare in modo semplice le prestazioni sta diventando una caratteristica standard delle specifiche funzionali di microserver e server embedded di tipo edge. Ciò, in parte, è imputabile al fatto che i compiti (task) che devono essere eseguiti differiscono in funzione del particolare tipo di applicazione. Ma la ragione principale risiede nel fatto che i requisiti da soddisfare sono inevitabilmente destinati a diventare sempre più stringenti. Sulle singole piattaforme server poste alla periferia sarà consolidato un numero via via crescente di funzionalità. Anche le esigenze in termini di sicurezza e comunicazione sono destinate ad aumentare. Le funzionalità che al momento attuale sembrano sufficienti potrebbero non esserlo in un futuro molto prossimo. Per tutti questi motivi è indispensabile garantire la possibilità di aggiornamento a costi contenuti.

Aggiornamento delle prestazioni a basso costo con i server-on-module

Per quanto concerne l’aggiornamento delle prestazioni, i server-on-module rappresentano sicuramente la scelta più adatta. Si tratta di soluzioni standardizzate in quanto le specifiche per i moduli COM Express con pinout Type 7 sono state definite dal consorzio PICMG. Inoltre sono già stati delineati percorsi di sviluppo basati su standard aperti che tengono conto delle future evoluzioni sia per moduli di questa classe di prestazioni sia per quelli conformi allo standard COM-HPC di imminente introduzione. Tuttavia, l’ecosistema non prevedeva finora prodotti di tipo COTS (ovvero disponibili commercialmente sul mercato) con i quali implementare tali soluzioni in forma standardizzata. Oltre ai moduli e alle schede carrier già disponibili, mancavano sia soluzioni di raffreddamento ad alte prestazioni per TDP superiori a 65 W sia funzionalità adeguate per la gestione remota di classe server. Ora questa lacuna è stata colmata grazie a congatec che con le sue soluzioni permette, ad esempio, la realizzazione di sistemi privi di ventole, raffreddati per conduzione, con un TDP di 100 W. Nel caso di progetti in formato COM Express con pinout Type 7 ciò si traduce in un incremento del 53% in termini di prestazioni. Vale la pena sottolineare che in questi casi fino ad ora non era disponibile una soluzione di tipo COTS che gli OEM potevano acquistare per avviare immediatamente lo sviluppo dei loro progetti.

Server embedded raffreddati per conduzione fino a 100 W

I nuovi moduli conga-B7E3 basati sui processori della serie EPYC Embedded 3000 di AMD possono ora essere equipaggiati con ventole ad alte prestazioni e dissipatori di calore di tipo “application-ready” o, in alternativa, con heat pipe che garantiscono un efficiente raffreddamento anche in server estremamente sottili, di altezza pari a 1U. Nel caso in cui i sistemi con dissipazione compresa tra 65 e 100 W siano progettati in modo tale da non richiedere il ricorso a ventole rotanti, è possibile sviluppare server embedded di fascia alta estremamente affidabili da utilizzare in numerose applicazioni alla periferia della rete nell’ambito di IIoT e Industry 4.0. Tra le numerose applicazioni tipiche del nuovo ecosistema da 100 W per micro server e server edge si possono annoverare cloudlet (mini data center) per telecomunicazioni 5G, server per Industry 4.0, server per celle robotizzate “intelligenti” che utilizzano robot collaborativi, veicoli per la logistica e a guida autonoma che integrano sensori di visione ad alta velocità e altri sensori utili per fornire una migliore comprensione del contesto operativo (situational awareness). Un ecosistema di questo tipo è anche destinato ad apparecchiature “on-premise” (installate in sede) virtualizzate che devono operare in ambienti particolarmente severi per fornire servizi come routing in ambito industriale, Internet “tattile”, sicurezza a livello di firewall e connettività VPN – a volte in combinazione con vari sistemi per il controllo in real time ed elaborazioni mediante reti neurali per implementare funzionalità di intelligenza artificiale.

Schede carrier per sistemi rack 1U e box 5×5”

Oltre a integrare queste soluzioni di raffreddamento, il nuovo ecosistema da 100 W di congatec include starter kit basati su due differenti schede carrier di classe server di tipo “application-ready”: conga-X7EVAL e conga-STX7. Tra le principali caratteristiche da annoverare la presenza di numerose interfacce 10 GbE implementate attraverso gabbie (cage) SFP+ che possono supportare sia cavi in rame sia in fibra ottica. Questi kit, particolarmente utili per la valutazione rispettivamente di progetti di server rack in formato 1U e sistemi integrati in un unico box (box PC), possono essere personalizzati in base alle esigenze degli utenti. congatec ha già incluso i relativi servizi di ingegnerizzazione come componenti dell’ecosistema.

Una personalizzazione efficace

A questo punto val la pena sottolineare che il progetto di una scheda carrier specifica non è sempre necessario in quanto ciascuna delle due schede carrier integra un connettore di espansione (featured connector) tramite il quale gli OEM possono implementare personalizzazioni specifiche. Questo è particolarmente vantaggioso nel caso di schede carrier estremamente compatte come ad esempio la scheda conga-STX/7 in formato mini-STX (5×5) di dimensioni pari appunto a 5,5×5,8”. Con questa, gli utilizzatori possono usare questo connettore a 220 pin per implementare quelle interfacce dello standard COM Express con pinout Type 7 che non sono presenti sulle scheda carrier standard nel corso dello sviluppo di schede di espansione personalizzate. Per questo motivo congatec utilizza il medesimo connettore che viene anche impiegato in COM Express tra il modulo e la scheda carrier. Le relative guide alla progettazione che descrivono le modalità di sviluppo di queste espansioni possono essere ricavate direttamente dalle guide alla progettazione delle schede carrier stilate da PICMG. L’utilizzo di questo nuovo connettore di espansione per schede carrier, caratterizzato da ingombri e altezze molto ridotte, è sempre utile per gli OEM che desiderano espandere senza problemi una scheda carrier standard mediante l’integrazione di singole funzioni.

La prima scheda che può essere utilizzata sul nuovo connettore di espansione per scheda carrier in formato COM Express con pinout Type 7 è un modulo di espansione PCIe. Grazie ad esso un OEM può, ad esempio, collegare GPGPU (General-Purpose GPU) dedicate per realizzare sistemi inferenziali e basati sull’apprendimento automatico (machine learning) oppure memorie flash basate su PCIe con capacità di parecchi Tbyte necessarie nelle applicazioni che coinvolgono i “big data”.

Gestione di classe server

Al fine di conseguire prestazioni di classe server, i sistemi embedded non devono solamente disporre di un hardware scalabile ad alte prestazioni e di soluzioni di raffreddamento adeguate, ma essere in grado di offrire un’ampia gamma di funzioni di gestione. Esse sono essenziali nel caso di microserver e server edge e differiscono sostanzialmente da quelle in precedenza utilizzate per i sistemi di elaborazione embedded di tipo standalone.

Per questa ragione congatec ha integrato nel suo ecosistema di 100 W sia le funzionalità RAS (Reliability, Availability e Serviceability, ovvero affidabilità, disponibilità e semplicità di manutenzione) comuni a tutti i processori della linea EPYC Embedded 3000 di AMD sia, e si tratta della prima volta, un controllore BMC (Board Management Controller) di classe server che consente l’accesso di tipo out-of-service/out-of-band (ovvero da remoto e fuori servizio) ai sistemi. Nel loro complesso, tutte queste funzionalità consentono di effettuare in maniera efficiente operazioni di manutenzione, gestione e monitoraggio da remoto in modo da ottimizzare il costo  di ownership in installazioni distribuite come accade per i data center utilizzati in ambito commerciale. Da sottolineare il fatto che tutto ciò è stato ora progettato in modo tale da consentire l’impiego di tali sistemi in ambienti particolarmente gravosi. Per il BMC congatec ha optato per il controllore AST2500 di Aspeed, basato sul processore ARM11 a 800 MHz in grado di supportare  DRAM DDR4 operanti a 1.600 Mbps e che integra un acceleratore grafico 2D compatibile VGA (2D/VGA) con interfaccia PCIe per la console di gestione. congatec ha quindi ottimizzato il firmware del controllore per soddisfare i requisiti tipici della gestione di microserver e server edge embedded. Tra questi la possibilità di utilizzare le API embedded dello standard COM Express con pinout Type 7 per poter implementare tutte le necessarie segnalazioni e registrazione di eventi ottenute attraverso l’uso di questi sensori nel sistema di gestione remota.  Oltre a ciò sono stati implementati comandi per il controllo dei consumi di potenza dello chassis in conformità alle specifiche IPMI (Intelligent Platform Management Interface) oltre a funzioni per il re-indirizzamento di tastiera, mouse e video (KVM) e di altri tipi di media al fine di supportare sia console di server connessi localmente sia KVM remoti. Una console di debugging host con l’uscita che commuta tra i differenti target del sistema host completano la versione 1.0 di questa release.

Sicurezza integrata nel modulo

Nelle applicazioni di tipo edge è possibile ottenere notevoli vantaggi dalla presenza di numerose funzionalità di sicurezza dei SoC della serie EPYC Embedded 3000 di AMD tra cui Secure Boot System (ovvero caricamento sicuro all’avvio), SME (Secure Memory Encrytion) e SEV (Secure Encypted Virtualization), oltre che dalla disponibilità di canali di migrazione sicuri tra due piattaforme che supportano la virtualizzazione SEV (una funzione a livello hardware implementata nei processori EPYC che ha l’obiettivo di proteggere i dati di una macchina virtuale utilizzando uno specifico sistema di crittografia). E’ altresì disponibile il supporto per IPsec (IP security) con un acceleratore per crittografia integrato. Anche l’amministratore del server non ha accesso a una macchina virtuale protetta con questo tipo di crittografia. Si tratta di un requisito estremamente importante per garantire gli elevati livelli di sicurezza richiesti da molti servizi espletati dai server edge, i quali devono far funzionare applicazioni sviluppate da più fornitori nell’ambito dei processi di automazione previsti da Industry 4.0, e garantire nel contempo la protezione contro eventuali azioni di sabotaggio condotte dagli hacker.

Due opzioni di virtualizzazione già integrate

Oltre a poter disporre delle opzioni di virtualizzazione dei processori per server della serie EPYC Embedded 3000 gli OEM possono, in alternativa o in aggiunta, sfruttare macchine virtuali in tempo reale di tipo “application-ready” basate sull hypervisor RTS integrato. L’utilizzo di questo hypervisor in real-time basato su software semplifica le migrazioni tra micro-architetture differenti in modo da incrementare la disponibilità sul lungo periodo di una soluzione. Tra le caratteristiche salienti dell’hypervisor RTS da evidenziare in particolare le ottime prestazioni in real-time, oltre alla semplicità di installazione e di partizionamento su ogni piattaforma multicore in architettura x86. Il supporto di tutti i più diffusi sistemi operativi sia real-time sia general-purpose consente di consolidare il carico di lavoro tra più soluzioni su questi server. Grazie ai processori della serie EPYC 3000 di AMD, che possono ospitare fino a 16 core (32 thread), le macchine virtuali (VM) possono in teoria operare in parallelo per un gran numero di differenti applicazioni. In pratica, tra le configurazioni di VM più comuni si possono annoverare quelle che utilizzano più core per, ad esempio, controllare 4 robot con 4 core ciascuno con un singolo sistema.

Comportamento garantito per le applicazioni “hard real-time”

Per quanto concerne l’aspetto software, questo ecosistema include il supporto di configurazioni in tempo reale al fine di evitare le latenze imputabili alla gestione del TDP. Per questo motivo congatec, in collaborazione con AMD, mette a disposizione i relativi progetti dei nuovi processori della serie EPYC Embedded 3000 di AMD perchè la gestione termica del processore, che dovrebbe assicurare le massime prestazioni, deve tener conto dei limiti intrinseci dei circuiti logici implementati tramite il silicio. I moderni sistemi di gestione della potenza dovrebbero garantire che questi limiti non vengano superati ed assicurare elevati livelli di affidabilità e funzionalità dei dispositivi in silicio in tutte le condizioni operative, a causa delle possibili conseguenze sul comportamento in real-time. Quindi è necessario utilizzare le configurazioni di sistema più idonee, che sono disponibili automaticamente con l’implementazione dell’hypervisore RTS di congatec.

In definitiva, questo ecosistema da 100 W per microserver e server edge embedded semplifica l’integrazione di una tecnologia server complessa che, come si può ben comprendere nel caso dell’BMC, sta influenzando in modo sempre maggiore il progetto delle schede carrier. L’attuale ecosistema da 100 W può ovviamente essere utilizzato per moduli COM Express con pinout Type 6 e si propone come una solida base per i prossimi moduli in formato COM-HPC ad alte prestazioni, rendendo in tal modo possibile l’implementazione in tempi brevi dei nuovi moduli congatec conformi con questo standard.

Box

Fig. 1 – L’obiettivo dell’ecosistema da 100 W per microserver e server edge embedded è permettere agli OEM di reperire tutti i moduli “application ready” necessari per la progettazione di server compatti da utilizzare in contesti operativi gravosi da una singola fonte. L’ecosistema comprende soluzioni di raffreddamento e funzione di gestione di classe server, oltre a server-on-module e schede carrier.

Fig. 2 – Due differenti soluzioni di raffreddamento per l’espletamento di un unico compito: in funzione del layout del sistema e dei requisiti di affidabilità, le soluzioni di raffreddamento possono prevedere l’uso di dissipatori di calore e ventole attive oppure adattatori per tubi di calore con i quali il calore può essere trasferito sugli scambiatori di calore dello chassis piatto anche in sistemi rack di altezza pari a 1U con dissipazioni comprese tra 65-100 W.

Fig. 3 – Due schede carrier per progetti di server con dissipazioni fino a 100 W sono destinati a due settori applicativi completamente differenti: uno è stato concepito per sistemi tipo box PC di piccole dimensioni in formato Mini-ITX (5×5) mentre l’altro rende disponibile tutte le funzionalità previste dallo standard COM Express e può essere utilizzato come base per progetti specifici dell’utilizzatore.

Fig. 4 – Attraverso il connettore di espansione per schede carrier in formato COM Express con pinout Type 7 congatec minimizza i requisiti richiesti per la personalizzazione, in modo che gli OEM devono solamente ricorrere a un assemblaggio di ridotte dimensioni, realizzato internamente o acquistato, al fine di integrare le funzioni mancanti, come ad esempio protocolli Ethernet industriale operanti in real time o interfacce per fieldbus e seriali.

Fig. 5 – Attraverso il controllore BMC (Board Management Controller) della scheda carrier in formato COM Express con pinout Type 7, i microserver e server edge embedded possono disporre di tutte le funzioni di gestione tipiche dell’ambiente server e necessarie per garantire un elevato livello di RASM  (Reliability, Availability, Serviceability, Maintainability).

Fig. 6 – Oltre a poter disporre delle opzioni di virtualizzazione dei processori della serie EPYC Embedded 3000 gli OEM possono, in alternativa o in aggiunta, sfruttare macchine in tempo reale virtuali di tipo “application-ready” basate sull hypervisor RTS integrato. L’utilizzo di questo hypervisor in real-time basato su software semplifica le migrazioni tra micro-architetture differenti in modo da incrementare la disponibilità sul lungo periodo di una soluzione.

Fig. 7 – (Vedi box) I nuovi moduli conga-B7E3 in formato COM Express con pinout Type 7 sono equipaggiati con processori EPYC Embedded 3000 di AMD in diverse configurazioni.

Fig. 8 – Soluzioni di raffreddamento ottimizzate per i rispettivi server-on-module in formato COM con pinout Express Type 7 sono disponibili per i diversi processori della serie EPYC Embedded 3000 di AMD.

Andreas Bergbauer Product Line Manager (congatec)

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