Die Workload-Konsolidierung, die bislang vor allem durch die Virtualisierung von Servern in Rechenzentren ermöglicht wird, ist schon lange nicht mehr allein auf gut klimatisierte Serverschränke beschränkt. Sie ist zunehmend auch am rauen industriellen Edge gefordert: Maschinen- und Anlagenbauer sowie industrielle Endanwender wollen ihre Industrie-4.0-Applikationen auf maschinen-nahen Servern virtualisieren und die diversen verteilten Steuer-ungen, die sich in einer Fertigungszelle befinden, ebenfalls auf diesen Edge-Servern konsolidieren, anstatt die Aufgaben auf mehrere dedizierte Systeme zu verteilen. Vorteil des Ansatzes: Die Gesamtleistung der vereinten Rechen-kapazitäten lassen sich besser auslasten und letztlich auch Kosten sparen.

Es sind nicht nur die reinen Systemkosten, die sich so reduzieren lassen, sondern auch der Aufwand für Wartung und Administration. Zudem erhöht die Konsolidierung auf redundant ausgelegten Edge- und Fog-Servern die Zuverlässigkeit und Ausfallsicherheit. Denn bei mehreren verteilten Systemen ist die Wahrscheinlichkeit höher, dass ein Glied der Kette und damit die ganze Kette ausfällt. Um die je nach Applikation äußerst heterogen ausgelegten Edge- und Fog-Server möglichst effizient entwickeln zu können, benötigen OEM einen leistungsfähigen Echtzeit-Hypervisor sowie die zur Applikation passende Multicore-Plattform. Da es für den Hypervisor in der Regel vollkommen egal ist, auf welchen Serverplattformen sie laufen, gilt es daher im ersten Schritt, die Hardware modular zu gestalten, um neben Load-balancing ein applikationsspezifisches Preis- und Performance-Balancing zu ermöglichen. Dieser hardwarebasierte modulare Ansatz findet sich bereits in zahlreichen Edge-Systemen von kleinsten Gateways bis hin zu großen Industrial-Servern.

LPWAN-Gateway für LoRa

Konsequent modular aufgebaute Edge- und Fog-Server bieten Realtime-Hypervisor-Support und basieren auf Server-on-Modules, um neben Loadbalancing ein applikationsspezifisches Preis- und Performance-Balancing zu ermöglichen.

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Im Low-Power-Segment sei beispielhaft das LoRa-Gateway von Expemb genannt, das in unterschiedlichsten LoRa-Szenarien eingesetzt wird und damit auch unterschiedlichste Edge-Logik implementieren können muss. In der Fabrik kommt LoRa beispielsweise bei autonomen smarten IoT-Sensoren zum Einsatz oder auch für die Nachverfolgung von Ladungsträgern, um den innerbetrieblichen Warenfluss zu überwachen und zu optimieren.

Dadurch, dass das Gateway Computer-on-Modules integriert hat – hier ist es ein Qseven-Modul mit Intel-Atom-Prozessoren – bietet es ein flexibles Hardware-Setup, das sowohl hardwareseitig als auch softwareseitig flexibel bestückt werden kann, um die heterogensten technischen Anforderungen an LoRa-basierte IoT-Applikationen zu erfüllen. Neben Load-balancing ist so applikationsspezifisches Preis- und Performance Balancing möglich.

Edge-Server für Smart Grids

Bereits mehrere Hersteller haben ihre innovativen Edge-Server-Systeme modular aufgebaut: von kleinen LoRa-Gateways über Smart-Grid-Edge-Server bis hin zu industriellen Rack-Servern.

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Hohe Flexibilität wird außerdem an Box-PC-basierte Edge-Server gestellt. In China wird derzeit beispielsweise in Zusammenarbeit mit Tencents IoT-Partnern für den Energiemarkt ein Edge-Layer für ein verteiltes Smart-Grid-Managementsystem ausgerollt. Ein solches Edge-Server-Design muss dabei zum Beispiel das Management verteilter Energieerzeuger und Verbraucher in Fabriken und Industrieparks erfüllen können. Da die installierte Basis genererell heterogen gehalten ist, gilt es die Hardware ebenso entsprechend modular zu entwickeln. Zum Einsatz kommen hier Computer-on-Modules nach dem COM-Express-Type-7-Standard. Erste Systeme nutzen Module mit Intel-Xeon-D15xx-Prozessoren mit bis zu 16 Cores und 32 Threads. Alternative Konfigurationen basieren auf Intel-Atom-C3xxx-Prozessoren. Mit bis zu 16 Cores sind diese Prozessoren ebenfalls ideal für alle Installationen, bei denen unterschiedlichste Workloads zu konsolidieren sind. Ob denn aber ein Xeon- oder Atom-Prozessor im System arbeitet, ist sowohl vom Energieverbrauch als auch hinsichtlich der Kosten ein entscheidender Unterschied.

Modulare Rack-Server für raues Umfeld

Das ‚Realtime Workload Consolidation Starter Set‘ von Congatec basiert auf einem COM-Express-Type-6-Modul mit Intel-Xeon-E2-Prozessor und dem Echtzeit-Hypervisor von Real-Time Systems.

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Darüber hinaus lassen sich noch deutlich leistungsfähigere Rack-Server-Designs modular aufbauen und dank standar-disierter Computer-on-Modules die Investitions-kosten senken – egal ob für Steuerungsrechner in der Robotik, für Fertigungszellen oder auch komplexe Verpackungs- und Werkzeugmaschinen.
Ein Beispiel für derart modulare Designs sind die Server von Anbietern wie Christmann, die ebenfalls auf COM Express Type 7 Server-on-Modules ent-wickelt wurden und für die auch Auslegungen auf Basis des kommenden COM-HPC-Module-Standards geplant sind. Für sie spricht neben der perfekten Auslegbarkeit auf die spezifische Aufgabe vor allem die hohe Skalierbarkeit für zukünftig erforderliche Performance-Upgrades: Die zweite Server-Generation, die sicherlich nach drei bis fünf Jahren aufgrund des schnellen technologischen Fortschritts erforderlich wird, sollte damit lediglich etwa 50 % der Anfangsinvestition kosten, da in den meisten Fällen nur das Prozessormodul zu tauschen ist. Um die daraus entstehende deutlich reduziertere TCO komplett erschließen zu können, lassen sich Christmann Rackmount-Server flexibel mit bis zu 27 CPU-Mikroservern ausrüsten. 
Die drei Beispiele – vom LoRa-Gateway bis zum modularen Rack-Server – verdeutlichen die Vorteile, die Computer-on-Modules und Server-on-Modules für Edge-Gateways und Edge-Server bieten.

Realtime Workload Consolidation Kit

Zeljko Loncaricist Marketing Engineer bei Congatec.

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Ohne Realtime-Hypervisor-Support ist das aber alles nur die halbe Miete. Aus diesem Grund ist es auch erforderlich, dass für die Hardware auch ein entsprechender Software-Support geboten ist. Deshalb hat Congatec zusammen mit Intel und Real-Time-Systems ein Intel-zertifiziertes RFP-Kit (ready for production) zur Workload-Konsolidierung entwickelt. Das seit März 2020 durch Intel zertifizierte Kit zielt auf die nächste Generation von bildbasierter kollaborativer Robotik, Automatisierungssteuerungen und autonomen Fahrzeugen ab, die mehrere Aufgaben parallel bewältigen müssen – einschließlich des Situationsbewusstseins unter Verwendung von Deep-Learning basierten KI-Algorithmen.

Die lösungsfähige Plattform basiert auf einem COM-Express-Typ-6-Modul, das mit dem Intel-Xeon-E2-Prozessor ausgestattet ist und drei vorkonfigurierte virtuelle Maschinen integriert, um zu demonstrieren, dass sogar Echtzeit-Anwendungen auf einer virtuellen Maschine ausgeführt werden können, während eine andere Anwendung auf demselben System neu gestartet wird. Damit die Plattform die Konsolidierung effizient umsetzen kann, bietet sie zudem nicht nur die Grundlagen für eine flexible Vernetzung über kundenspezifische Carrierboard-Auslegungen. Das Kit unterstützt auch die Kommunikation über Time-Sensitive Networking (TSN), das mit den kommenden 5G-Technologien und der Einführung von 10+ GbE-Netzwerken in der Fabrikhalle für die Echtzeit-Verarbeitung in taktilen Internet-Umgebungen essenziell ist. 

TSN-Support inklusive

Die TSN-Technologie umfasst eine Reihe von Standards, wie zum Beispiel IEEE 802.1q für Virtual LANs über Ethernet, das in IEEE 802.1Qbv standardisierte Time Aware Shaping (TAS) für garantierte minimale Übertragungslatenz oder die Echtzeit-Synchronisierung über das in IEEE 1588 festgelegte Precision Time Protocol (PTP). Das Precision Time Protocol ist für die Zeitsynchroni-sierung zwischen den Knoten zuständig. Ein Master gibt die Zeit vor.

Die einzelnen Slaves synchronisieren ihre Uhren bis in den zweistelligen Nano-sekunden-Bereich. Dadurch können Pakete mit Zeitstempeln auf Basis dieser synchronisierten Uhren versehen und verschickt werden. Folglich können sich PTP-Netzwerke bis in diesen zweistelligen Nanosekunden-Bereich synchronisieren, wobei natürlich auch die Travelzeiten der IP-Pakete einen Einfluss auf das reale Echtzeit-Verhalten einer Applikation hat. Bei der Intel Ethernet-Schnittstelle I219 erfolgt die Synchronisation der Uhren rein auf Basis dieses Standard-Bauelements mit den daraus resultierenden Vorteilen: Zum einen ist sie in Hardware gegossen und zum anderen werden keine zusätzlichen pro-prietären Applikationen oder eine weitere dedizierte Hardware benötigt. Das ‚Realtime Workload Consolidation Starter Set‘ kann bei Congatec sowie beim Intel Marketplace geordert werden.