Desde que fabricantes como congatec presentaron en el mercado los procesadores Intel Xeon D en módulos servidor COM-HPC, las instalaciones de servidores edge se han liberado de los estrictos confinamientos térmicos de las salas de servidores con aire acondicionado, y finalmente ya pueden utilizarse siempre que se necesiten grandes cantidades de rendimiento de datos con las latencias más bajas posibles, hasta el tiempo real determinista.

Para facilitar la comunicación con los sistemas de los clientes en tiempo real y sin retrasos, los datos suelen procesarse en el borde (edge) de las redes de comunicación en los entornos de servidores del edge computing, en lugar de en las nubes centrales. Por desgracia, esto es problemático para los fabricantes de tecnologías de servidores, redes y almacenamiento: Hasta la fecha, han estado generando sistemáticamente soluciones de rack para sus sistemas, en las que la gestión térmica de los racks y la climatización de las salas de servidores se regulaban mediante conceptos de ventilación activa y una potente tecnología de climatización. Sin embargo, estos métodos ya no son convenientes cuando se trata de tecnología de servidores punteros.
La ASHRAE o The American Society of Heating, Refrigerating, and Air-Conditioning Engineers (Sociedad Americana de Ingenieros de Calefacción, Refrigeración y Aire Acondicionado) tiene una experiencia considerable en cuanto a la instalación práctica de servidores edge en entornos adversos. La Sociedad también ha ofrecido propuestas razonables para garantizar que los centros de datos edge sigan siendo compatibles con el aire acondicionado de alto rendimiento y el mejor aislamiento disponible para que puedan estar protegidos del calor y el frío.

Liberar a los servidores edge de las limitaciones de la climatización
Dicho esto, la ASHRAE aconseja que, para un rendimiento óptimo, los centros de datos edge sólo deberían sufrir un cambio de temperatura máximo de 20 grados centígrados en una hora y un cambio de temperatura máximo de 5 grados centígrados en 15 minutos. Lamentablemente, esto es difícil de conseguir, ya que se necesitaría una tecnología de aire acondicionado avanzada. Además, estas directrices son aún más difíciles de cumplir cuando se realizan trabajos de mantenimiento en centros de datos periféricos que resultan ser, por ejemplo, más pequeños que una cabina telefónica, ya que los fabricantes deberían poder trabajar en estas soluciones durante la fase de mantenimiento y a cualquier temperatura ambiente. Obviamente, sería poco práctico acceder rápidamente a estos sistemas con una cerradura de control y luego apresurarse a cerrar la puerta de nuevo para realizar el mantenimiento en la sala de servidores edge totalmente climatizada.
Por lo tanto, en entornos adversos, los servidores edge y los centros de datos requieren diseños de sistemas que estén equipados para gestionar las variaciones de temperatura con mayor eficacia y que también puedan funcionar en un rango de temperatura mucho más amplio que el de 0-40 grados Celsius, que es el que se suele recomendar para los equipos informáticos de interior. En su lugar, es imperativo aspirar a diseños de sistemas embebidos que puedan funcionar a temperaturas ambientales que van desde los -40°C del frío ártico hasta los 85°C del calor que son más frecuentes en los entornos industriales. Por lo tanto, cada componente debe ser evaluado en consecuencia.

Los diseños de última generación pueden ayudar a reducir los gastos de climatización
La tecnología de los procesadores es el aspecto más sensible del diseño de las tecnologías de servidores, redes y almacenamiento de última generación. Determinar si hay que cumplir las directivas de la ASHRAE y, por tanto, destinar una gran cantidad de dinero a invertir en tecnología de climatización y aislamiento, así como los costes de funcionamiento debidos al consumo de energía secundaria, depende totalmente de esta tecnología. Como alternativa, los fabricantes también pueden decidir apostar por otro tipo de sistemas que no requieran estos esfuerzos para funcionar eficazmente en temperaturas extremas, y que puedan implantarse en entornos adversos de forma más rentable. Algunos de estos sistemas son, entre otros: Instalaciones en fábricas, equipos de exterior para comunicaciones, videovigilancia y otras infraestructuras críticas, y servidores en sistemas móviles que van desde trenes y aviones hasta autobuses lanzadera autónomos en ciudades inteligentes.
Desde la aparición de los procesadores Xeon D, ha surgido una robusta tecnología de servidores que puede utilizarse en un amplio rango de temperaturas desde -40 °C a 85 °C. Por lo tanto, los diseños de servidores de alto rendimiento también pueden liberarse de las rígidas limitaciones térmicas de las salas de servidores con aire acondicionado y establecerse en cualquier lugar en el que se necesite un rendimiento de datos masivo y sin latencia en el borde del Internet de las cosas y las fábricas de la Industria 4.0.

Múltiples requisitos específicos para el diseño del sistema
No obstante, un servidor edge robusto no se caracteriza únicamente por su procesador de servidor. De hecho, un amplio conocimiento sobre la tecnología también es fundamental para satisfacer las necesidades de los diseños de sistemas construidos para entornos adversos. Cada unidad debe evaluarse de forma correspondiente y también hay que prestar especial atención al diseño de la placa de circuitos y de la tarjeta, así como a los revestimientos específicos que protegen contra el agua de condensación y otras influencias ambientales. Además, se necesitan medidas rígidas adicionales para salvaguardar las señales electromagnéticas y de alta frecuencia externas que puedan afectar al rendimiento del dispositivo.
En lo que respecta a las tecnologías informáticas embebidas, fabricantes como congatec tienen una experiencia considerable en el diseño de estos sistemas, ya que suelen incorporar tecnologías básicas de PC, como los procesadores Intel Core, en sistemas embebidos de forma compatible con el uso industrial. Los desarrolladores son muy conscientes de las condiciones y normas de certificación que se establecen en los distintos sectores y están acostumbrados a crear sistemas duraderos, para garantizar que cumplen los requisitos de la industria y tienen la capacidad de ofrecer soluciones OEM con configuraciones de placa idénticas durante 7-15 años. En lo que respecta a las aplicaciones industriales, entienden que los modelos son bastante diferentes de los diseños de sistemas típicos del sector de la oficina, ya que las aplicaciones industriales suelen necesitar cierto nivel de escalabilidad que hace que los diseños modulares con módulos COM sean la forma ejemplar de desarrollar placas. Por último, los desarrolladores reconocen la esencialidad de la estandarización y por eso, en gran medida, se han ideado normas internacionales para estos módulos.

Alcanzar los objetivos de forma más eficiente con la normativa
Esta rica experiencia se ha puesto ahora en práctica en el área de aplicación de diseños de servidores edge listos para la industria con la especificación de servidores COM-HPC y los desarrolladores disponen ahora de un acceso sin precedentes a productos reales con la aparición de los procesadores Intel Xeon D. En el contexto del estándar de servidor COM-HPC, los nuevos módulos servidor resultan muy beneficiosos para los desarrolladores, que pueden incorporar los módulos como lógica informática embebida lista para la aplicación en sus placas base individuales. De este modo, no tendrían que ocuparse de la tecnología básica del procesador y se centrarían, en cambio, en las especificaciones relativas a la colocación de los componentes de la placa y la implementación de las interfaces en los lugares correctos de la placa base. Precisamente por este motivo, el comité de estandarización del PICMG ha adoptado últimamente la COM-HPC Carrier Design Guide (Guía de Diseño de Portadoras COM-HPC). A fin de cuentas, es fundamental para crear plataformas informáticas embebidas interactivas y optimizables, específicas para cada cliente, basadas en el nuevo estándar y para facilitar el proceso de aprendizaje de los desarrolladores que intentan familiarizarse con la lógica del estándar.

Diseños de servidores edge robustos simplificados
Para simplificar aún más las cosas, congatec está apoyando a los desarrolladores y ofreciéndoles una introducción panóptica a las reglas de diseño a través de su recientemente creada academia de formación online y presencial para diseños de servidores y clientes COM-HPC. Esta oportunidad permite a los desarrolladores participar en lecciones dirigidas por expertos, acerca de los diseños de sistemas embebidos y edge de alta gama, basados en el nuevo estándar Computer-on-Module (COM). Durante la formación, los instructores repasan los fundamentos de diseño requeridos y sugeridos, así como los esquemas de mejores prácticas de las placas base COM-HPC y los accesorios, como las soluciones de refrigeración sin ventilación forzada de gama alta, para diseños de servidores que alcanzan, e incluso superan, los 100 vatios. Las placas base de evaluación para los módulos servidor COM-HPC sirven como punto de referencia para la formación en la implementación del procesador Intel Xeon D. Proporcionan el conjunto completo de características que los desarrolladores pueden utilizar para las plataformas de prototipos cuando se requiera el desarrollo de aplicaciones adicionales.
El objetivo principal de la academia de formación de congatec es introducir a los desarrolladores en los fundamentos esenciales del diseño COM-HPC, incluyendo, entre otros, los siguientes: Principios de la capa PCB, reglas de gestión de la energía y requisitos de integridad de la señal, y selección de componentes. Las sesiones específicas sobre interfaces de comunicación arrojan luz sobre los errores y dificultades más comunes a los que se enfrenta el desafiante diseño de las comunicaciones en serie de alta velocidad que van desde PCIe Gen 4 y 5 a USB 3.2 Gen 2 y USB 4 con Thunderbolt en USB-C hasta Ethernet a 100 Gigabit, así como la gestión de las señales de banda lateral para las interfaces Ethernet KR de 10G / 25G / 40G / 100G que tienen que ser deserializadas en la placa base en COM-HPC. Por último, estas sesiones también señalan cómo los diseños de mejores prácticas utilizan estándares de interfaz como eSPI, I²C y GPIOs.
Las demostraciones de la implementación del firmware del módulo x86 con BIOS embebida, controlador de gestión de la placa y funciones del controlador de gestión del módulo concluyen la formación sobre diseño. Por último, la formación también incluye presentaciones sobre estrategias de verificación y prueba para poner de relieve diversas dificultades a las que se enfrentan, como problemas con la verificación del diseño inicial de la placa base y las pruebas de producción en masa. Como resultado de la completa oportunidad de aprendizaje que ofrece la Academia congatec, congatec ayuda a simplificar el diseño de la tecnología de servidores edge robustos. Además, congatec y también su amplia red de socios pueden proporcionar a los clientes OEM diseños de sistemas completos basados en los nuevos módulos servidor COM-HPC.

Rompe las barreras con las cargas de trabajo de los servidores edge acelerados
Además, los nuevos módulos servidor COM-HPC Size E y Size D con procesadores BGA Intel Xeon D, que inicialmente se conocían con el nombre de referencia Ice Lake D, no sólo soportan temperaturas extendidas desde 40 °C a 85 °C. Los módulos también son capaces de liberar a los servidores edge anteriores de muchas limitaciones y, por lo tanto, acelerar considerablemente la próxima generación de cargas de trabajo de microservidores en tiempo real en entornos adversos y rangos de temperatura extendidos. La actualización consta de hasta 20 núcleos, hasta 1TB de memoria en un máximo de 8 zócalos DRAM a 2933MT/sg, un total de hasta 47 canales PCIe del módulo con 32 canales PCIe Gen 4 con el doble de rendimiento por canal, y conectividad de hasta 100GbE, así como compatibilidad con TCC/TSN. Los servidores de almacenamiento y análisis de vídeo también se benefician de la compatibilidad con Intel AVX-512, VNNI y OpenVINO para el análisis de datos basado en IA.

Un punto de inflexión para los diseños de servidores edge en tiempo real
En este sentido, el lanzamiento de los módulos servidor COM-HPC basados en Ice Lake D supone un gran avance debido a tres aspectos clave: (1) como resultado de la compatibilidad con el rango de temperatura ampliado, los módulos de servidor Intel Xeon D pueden ahora atender a aplicaciones de exterior y de automoción, además de los típicos entornos industriales; (2) los módulos servidor COM-HPC, los primeros de su clase, permiten ahora que el número de núcleos llegue a un número sin precedentes de 20 núcleos y, junto con hasta 8 zócalos de DRAM, admiten un ancho de banda de memoria enormemente mayor que el que era posible anteriormente con los módulos servidor de otras especificaciones PICMG; (3) estos módulos servidor proporcionan capacidades en tiempo real en lo que respecta a los núcleos de procesador y a la Ethernet en tiempo real habilitada para TCC/TSN, lo cual es fundamental para la digitalización en los proyectos IIoT e Industria 4.0. 0.
Para lograr con éxito el equilibrio del servidor y los servicios de consolidación para las instalaciones de servidores en tiempo real deterministas en el borde, que pueden ejecutar varias aplicaciones en tiempo real por separado en un solo servidor edge, las plataformas deben ser compatibles con las máquinas virtuales con capacidad de tiempo real, como las proporcionadas por el hipervisor RTS de Real-Time Systems , por ejemplo. Esto daría a las fábricas de la Industria 4.0 en el borde de sus redes privadas 5G, la capacidad de introducir diversas aplicaciones en tiempo real en una sola plataforma de servidor y asignar los recursos del sistema estrictamente a los procesos dedicados. Los módulos servidor ofrecidos por congatec ya están preparados para soportar estos servicios. congatec también añade dichas instalaciones junto con todas las parametrizaciones necesarias a la ya larga lista de servicios típicos que ofrece para los nuevos módulos COM-HPC.

Los módulos también convencen con sus características de servidor: Para los diseños críticos de negocio cuentan con robustas funciones de seguridad de hardware como el Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption-Multi-Tenant (Intel TME-MT) e Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Para un rendimiento óptimo de fiabilidad, accesibilidad y capacidad de servicio (RAS), los módulos de procesador incorporan el motor Intel ME Manageability Engine y son compatibles con aplicaciones de gestión remota de hardware como IPMI y Redfish, tal y como define el PICMG. Esto ayuda a asegurar la interoperabilidad y es otro de los temas tratados en las sesiones de formación de la Academia congatec.

Opciones de módulos servidor para Intel Xeon D
Los nuevos módulos estarán disponibles en las variantes high-core-count (HCC) y low-core-count (LCC) de la serie de procesadores Intel Xeon D:
• Los módulos COM-HPC Server Size E (conga-HPC/sILH) constan de 5 procesadores Intel Xeon D 2700 HCC diferentes con la opción de seleccionar de 4 a 20 núcleos y una potencia base del procesador entre 65 y 118 vatios. Siempre se implementan 8 zócalos DIMM para hasta 1 Tbyte de memoria DDR4 rápida de 2933 MT/sg con ECC, 32x PCIe Gen 4 y 16x PCIe Gen 3, y un rendimiento de 100 GbE, así como Ethernet de 2,5 Gbps con capacidad de tiempo real y soporte TSN y TCC.
• Los módulos COM-HPC Server Size D y los módulos basados en los estándares establecidos COM Express Type 7 incluyen 5 procesadores Intel Xeon D 1700 LCC diferentes con la opción de elegir entre 4 y 10 núcleos y una potencia base del procesador que va de 40 a 67 vatios. Los módulos servidor conga-B7Xl COM Express soportan hasta 128 GB de RAM DDR4 2666 MT/sg a través de hasta 4 zócalos SODIMM y el módulo conga-HPC/SILL COM-HPC Server Size D ofrece 4 zócalos DIMM para hasta 256 GB de RAM DDR4 rápida 2933 MT/sg o 128 GB con Ram UDIMM ECC. Ambos módulos cuentan con 16 canales PCIe Gen 4 y 16 canales PCIe Gen 3. Para las redes rápidas, ofrecen un rendimiento de hasta 50 GbE y compatibilidad con TSN TCC sobre Ethernet de 2,5 Gbps.

Los módulos están disponibles como muestras de evaluación listas para la aplicación junto con robustas soluciones de refrigeración acordes con el TDP del procesador. Las soluciones incluyen refrigeración activa de alto rendimiento con adaptadores de tubos de calor, así como soluciones de refrigeración totalmente pasivas para lograr la resistencia mecánica más idónea frente a vibraciones y golpes, y también para mitigar el estrés térmico de las aplicaciones que tienen que soportar fluctuaciones de temperatura elevadas a corto plazo. En cuanto a las características de software, los nuevos módulos vienen con paquetes completos de soporte de placa para Windows, Linux y VxWorks, y tecnología de hipervisor RTS.
Autor*: Andreas Bergbauer es Senior Product Line Manager Intel Xeon-D processors en congatec

BU3: Servidor edge con tres módulos COM-HPC para cargas de trabajo en tiempo real especialmente elevadas
Los diseños de servidores edge COM-HPC no sólo están disponibles en diseños de un solo módulo. Los prototipos también admiten directamente soportes multimodulares con diversas configuraciones de módulos COM-HPC; por ejemplo, con FPGAs o aceleradores de cálculo GPGPU. Los módulos servidor COM-HPC y de cliente COM-HPC también pueden utilizarse juntos en la misma placa. Por ejemplo, y en colaboración con la Universidad de Bielefeld y Christmann IT, congatec está desarrollando actualmente un diseño de servidor edge que integra varios módulos COM-HPC diferentes en una placa base para gestionar cargas de trabajo en tiempo real extremo en una consolidación multisistema para el clustering de IA de aprendizaje automático de datos de alta dimensión (mapas autoorganizados).

BU4: Los diseños típicos de placas base sólo tienen interfaces estándar a bordo, hacia la parte posterior de la placa (E/S traseras). En consecuencia, su idoneidad para los servidores edge industrial para el Internet de las cosas es limitada. Además, no están preparadas para gestionar el amplio rango de temperaturas desde -40°C a +85°C y no tienen una longevidad de 7 a 15 años. En cambio, con los módulos servidor, los fabricantes pueden aprovechar la mecánica de estos factores de forma y diseñar la placa base de forma que facilite la implementación de las interfaces necesarias allí donde se necesiten.

BU5: El servidor Intel Xeon D on COM-HPC Size E y Size D tiene un número diferente de zócalos de RAM, lo que también afecta al tamaño de los módulos.

Más información