Die Digitalisierung fordert immer mehr Rechenleistung am Edge. Es gibt immens viele Daten von Sensoren, Geräten, Maschinen und Anlagen, die zu verarbeiten und zu analysieren sind, um Entscheidungen in Echtzeit zu treffen. Hierzu kommen immer öfter auch rechenintensive KI-Inferenzen zum Einsatz oder gar Machine Learning zur kontinuierlichen Optimierung der künstlichen Intelligenz. Enorm hohe I/O-Agilität und massiv-parallele Rechenleistungen sind hierfür erforderlich, wenn Erkenntnisse aus Bilddaten in Echtzeit in Steuerungsprozesse einfließen sollen. Mitunter werden auch mehrere diskrete Steuerungen auf Edge-Servern konsolidiert sowie maschinenübergreifende Prozesse automatisiert, was zusätzliche Ressourcen fordert.

Edge-Server sind auch immer dann wichtig, wenn historische Daten vor Ort gespeichert werden sollen. Beispielsweise wenn eine kontinuierliche Verbindung zu zentralen Servern nicht garantiert ist. Hinzu kommen Netz-werkinfrastruktur- und Netzwerksegmentaufgaben, wie Sicherheits- und Firewall-Funktionen und Fog-Dienste für die horizontale und vertikale Integration, sodass sehr viele Daten am Edge und in industriellen Netzwerkinfrastrukturen zu verarbeiten sind. Dieser Bedarf nach immer mehr Leistung steigt zudem stetig an.

High-Performance Benchmarks

Neue Welten bezüglich der Edge-Server-Performance erschließen derzeit die neuen AMD EPYC Embedded Prozessoren der Serien 7003 und 9004. 8 bis 64 Kerne und bis zu 128 Threads stellen bereits die Prozessoren der 7003er-Serie bereit, die sich in zahlreichen Benchmarks dem Wettbewerb deutlich überlegen zeigen. Überlegen sind sie zudem auch, was die Kosten betrifft: Als Einzelsockelserver liefern sie eine passgenaue skalierbare Rechnerleistung für Anwendungen, bei denen alternative Konfigurationen in Richtung Zweisockelserver skalieren müssen, um vergleichbare Performance zu erreichen. Das minimiert Softwarelizenzkosten und den Stromverbrauch.

Dank Unterstützung von PCIe Gen5 und durch die weiter entwickelte Zen4 Architektur bietet die 9004er-Serie gegenüber den AMD EPYC Embedded 7003er-Prozessoren eine um bis zu 90 % gesteigerte Performance bei einem noch besseren Verhältnis von Rechenleistung zu TDP. Bei einzelnen Prozessortypen, die zwischen 16 und 96 Cores bieten, ist hier eine Verbesserung der Leistungseffizienz um bis zu Faktor 2 möglich. Dies erlaubt auch eine noch bessere Skalierung auch nach unten, um den Energieverbrauch von Serverfarmen nachhaltig zu senken. Auch zahlreiche neue Sicherheitsfeatures wurden integriert.

Langzeit-Support

Auf Boardlevel bietet Advantech AMD EPYC Embedded 7003 Prozessoren auf COM-HPC Modulen und Micro-ATX Motherboards an. Varianten mit AMD EPYC Embedded 9004 Prozessoren sollen in Kürze folgen.

© Advantech

Der Embedded-Langzeitsupport von geplant sieben Jahren trägt dazu dabei, dass industrielle OEM und Systemintegratoren EPYC Embedded Prozessoren für neue Edge-Server-Applikationen bevorzugen – ganz gleich, ob sie Campusnetzwerk-, Sicherheits-, Speicher- oder Industrieanwendungen installieren wollen oder, ob sie Virtualisierung, Containerisierung, hybride Fogs oder softwaredefinierte Infrastrukturlösungen entwickeln. Die Robustheit der Enterprise-Class Embedded Prozessorvarianten sichern zudem höchste Verfügbarkeit im 24/7/365-Betrieb. Der Einsatz auch außerhalb von Klimaschränken direkt am Einsatzort im rauen Edge- beziehungsweise Industrieumfeld ist möglich.

Aktuelle State-of-the-Art Cloud Performance ist damit am industriellen Edge angekommen und ermöglicht durch latenzarmen Betrieb direkt vor Ort neue Möglichkeiten und höhere Leistungsfähigkeit bei geringeren Gesamtkosten.

Die Herausforderungen

Es gibt jedoch einige Herausforderungen, denen sich OEM am Edge stellen müssen. Sie müssen diese Serverprozessoren, die zwischen 200 und 400 W TDP (Thermal Design Power) haben, industrietauglich implementieren. Ihre Systeme müssen industriellen Temperaturbereichen standhalten. Auch müssen sie robuster ausgelegt sein gegen Schock, Vibrationen und höhere elektromagnetische Inferenzen. Klassische Serverauslegungen für den wohltemperierten Serverraum kann man hier folglich nicht einsetzen. Es sind jedoch bereits auch industriell gehärtete Systeme off-the-Shelf verfügbar wie beispielsweise die SKY-Industrieserverfamilie von Advantech, die AMD EPYC Embedded 7003 Prozessoren in zahlreichen Prozessorvarianten unterstützen und für zahlreiche Applikationen bereits als fertige Rackserver verfügbar sind.

Applikationsfertige Edge- und Infrastruktur-Server

Der 2HE Rackmount Server SKY-7260S für Serverracks ist beispielsweise mit frontseitig austauschbaren Hotswap-Festplatten bestückt für bis zu 200 TB Speicherplatz und bietet 2 TB Memory sowie Steckplätze für GPGPU- und FPGA-Beschleuniger. Zielanwendungen finden sich beispielsweise in Smart-City- und Retail-Applikationen sowie der Medizintechnik. Der SKY-8260S hat für Carrier-Applikationen eine geringere Einbautiefe von 20,4 Zoll, die sich auch für platzbeschränktere industrielle Racks empfiehlt. Zahlreiche Varianten für einen Mix aus PCIe x16 und x8 Slots Erweiterungssteckplätze bieten bereits Flexibilität bei der Auslegung auch für industrieller Erweiterungskarten. Der SWA-6080 Server fokussiert industrielle Networking-Applikationen. Er bietet frontseitig zahlreiche Switches und Konnektivität bis zu 100 GbE. Integriert ist ein IPSec-Gateway, unterstützt wird die DPDK L2/L3-Weiterleitung. Open SSL wird durch die Integration der Advantech PCIe QAT-Karte geboten; ein hauseigener Diagnosemanager bietet umfassenden Support für OEM, System-integratoren und Betreiber.

Viel Basisarbeit steckt folglich schon in applikationsfertigen Lösungsplattformen, die OEM-Kunden auch in kundenspezifischem Gehäusedesign erhalten können. Geht es aber um passgenauen Zuschnitt eines Servers, bedarf es auch umfangreicher Customization-Optionen, die nicht jeder Industrieserver-Anbieter im Portfolio hat. Hierfür ist schließlich die vollumfängliche Ver-antwortung für das komplette System erforderlich. Board, systemintegrierte Mechanik und Gehäuse sollten ideal aus einer Hand kommen. Nur so ist es schlussendlich möglich, ein wirklich passgenaues Design aus einer Hand zu erhalten.

Individuelle Auslegungen

Als einer von wenigen Anbietern von Design & Manufacturing Services für Industrieserver hat sich Advantech genau dieser Aufgabe verschrieben. Vorteil für OEM-Kunden ist, dass die Systeme bereits als fertig zertifizierte Produkte verfügbar sind, was die NRE-Kosten für ein OEM-eigenes System-design drastisch reduziert. Auf Basis dieses Angebots kann dann im Rahmen des Requirement-Engineerings der optimale Weg definiert werden, wie OEMs schlussendlich zu ihrem Produkt kommen, das ihnen dann auch fertig produziert und sofort einsatzbereit ausgeliefert wird.

Durch das Weglassen von externen und internen Schnittstellen lassen sich dabei bereits mit vergleichsweise geringem Aufwand beispielsweise die integrierten Motherboards – die auch ohne Gehäuse angeboten werden – exakt auf den Kundenbedarf anpassen. Dies reduziert Kosten in der Serie und erhöht auch die Systemsicherheit, da ungenutzte Schnittstellen so nicht für Datendiebstahl missbraucht werden können. Beim Micro-ATX Motherboard AIMB-592 mit IMPI 2.0 Support könnten beispielsweise die vier USB-Schnittstellen entfallen, die für Rear I/Os eindesignt wurden. Wenn die Managementkonsole beim OEM-Produkt nur über GbE angesprochen werden soll, können sogar noch weitere frontseitige USBs entfernt werden. Nicht benötigte PCIe-Steckplätze könnten ebenso entfallen genauso wie VGA und RS-232. Solche Varianten können bereits ab Stückzahlen von wenigen Hundert umgesetzt werden.

Individuelles Motherboard oder COM-Design mit Carrierboard?

Etwas aufwendiger wird es, wenn das PCB-Design angefasst werden muss. Je nach erforderlichem Eingriff und am Ende auch benötigten Stückzahlen ist hier zu evaluieren, ob es ein neues Micro-ATX Board exakt für den Kundenbedarf sein soll oder ob sich vielleicht alternativ ein Design mit Computermodulen empfiehlt. Auf Basis des neuen Server-on-Modules Standards COM-HPC gibt es bereits Lösungen wie das SOM-E780, das insgesamt 79 PCIe Gen4-Lanes für kundenspezifische Peripherie und Schnittstellen bietet. Die Carrierboards können oftmals weniger komplex ausgelegt sein als Motherboards, da sie weniger Layer benötigen.

Welche Lösung am besten passt, gilt es folglich im Rahmen des Requirement-Engineerings zu evaluieren. Gut ist es, wenn ein Hersteller beide Optionen bietet und vergleichbare Angebote ab-geben kann.Boards lediglich anzupassen reicht für ein fertiges System jedoch nicht aus. Auch Systemkompetenz ist gefragt, um beispielsweise Auslegungen zu ermöglichen, die für mobile Offroad-Server robuste M12er-Konnektoren ausführen.

All das ist machbar und wird beispielsweise in Europa von Advantechs Design & Manufacturing Services (DMS) angeboten. Schwerpunkt des DMS-Teams ist es, für europäische Kunden maßgeschneiderte Embedded-Computing-Lösungen zu entwickelt. Das Leistungsspektrum umfasst Custom Designs dabei nicht nur in den Bereichen Board- und Systemdesign, sondern auch BIOS, Firmware und kundenspezifische OS Images. Auch Softwareprogrammierungen für die AMD basierten Linux-Server werden dort ebenso durchgeführt.

Sind Off-the-Shelf Produkte ein Muss?

OEM-Server-Designs sind dort am besten aufgehoben, wo Anbieter die gesamte Wertschöpfungskette abdecken von der Entwicklung von Boards und Systemen bis zur Produktion. Kommt eine breite Standard-Produktpalette mit sowohl Modulen als auch Boards und Systemen hinzu, reduziert dies NRE-Kosten auf ein Minimum, da vor allem auch die hardwarenahe Software hier bereits in Serienprodukten zum Einsatz kommt und dadurch umfassend funktionsvalidiert ist. Es sind zudem nur noch Modifikationen erforderlich. Auch erleichtert die Produktvielfalt die Evaluierung, ob es ein funktional abgestripptes oder modifiziertes Motherboard oder ein Server-on-Modules basiertes Design werden soll. Selbstverständlich lassen sich auf Basis fertiger Produkte auch sehr effizient Full-Custom-Designs umsetzen. Beispielsweise wenn eine Platine für eine Mobilfunk-Mikrostation an einen Laternenmast montiert werden soll und deshalb das PCB eine runde Aussparung bekommen soll. Sollen AMD EPYC Embedded Prozessoren folglich individuell integriert werden, kann man dies bei Unternehmen wie Advantech besonders effizient umsetzen lassen.

Die Autoren

Claus Giebert ist Business Development Manager bei Advantech.

Knud Hartung ist Produktmarketingmanager Design & Manufacturing Services bei Advantech.

Antonio Tsetsos ist Product Sales Manager für Industrial Grade Motherboards bei Advantech.