Die Intelligenz von Maschinen und Anlagen wächst Zuge von Industrie 4.0. Die Folge davon ist, dass zu den SPS und Motion-Control-Steuerungen immer mehr Condition-Monitoring- und Vision-Control-Aufgaben kommen. Damit steigt die Menge der zu verarbeitenden Daten nahe der ­Fertigung rapide an, den dort ein­gesetzten Rechnern wird mehr und mehr Performance abverlangt. Für die darunterliegende komplexe Sensorik werden in der Maschine beziehungsweise anlagennah hochleistungsfähige Rechner notwendig. Sie müssen unzählige Sensordaten in Echtzeit erfassen, speichern, weiterleiten, bewerten und verarbeiten. Damit entsteht die Notwendigkeit, die Server-Performance aus der obersten Automatisierungs­ebene näher an die Fertigung zu ­bringen. Bislang stand dem Leistungshunger jedoch die Industrietauglichkeit entgegen; Entwickler hatten die Wahl zwischen robuster Hardware oder höchster CPU-Power.

Zwei Computing-Welten

Server, wie sie auf der Ebene der Unternehmenssteuerung eingesetzt werden, verfügen über mehrere Prozessoren mit bis zu 18 Kernen und mehreren Terabyte Arbeitsspeicher. Doch sie eignen sich nicht für die industrielle Umgebung. Zum einen herrschen hier andere klimatische Bedingungen und Umgebungen: Server stehen in sauberen, vollklimatisierten Räumen, im Industrie-Umfeld hingegen sind Tem­peraturschwankungen, Schmutz und Staub, manchmal auch aggressive Gase, Chemikalien oder elektromagnetischen Störstrahlungen an der Tagesordnung. Industrie-PCs müssen selbst bei Vibrationen und Stößen möglichst unterbrechungs- und wartungsfrei laufen – und das in der Regel im Dauer­betrieb. Zum anderen sind die Lebens-zyk­len vollkommen unterschiedlich: Während Langzeitverfügbarkeit im Serverumfeld kaum eine Rolle spielt, ist diese beim klassischen Industrie-PC oft unabdingbar.

Beim Mayflower-HPC-II liegen die vier PCIe-x16-Steckplätze direkt im Luftstrom.

© InoNet

Nur so kann die durchgängige Kompatibilität des Rechners mit der Anlage und der dafür eingesetzten Software über die komplette Lebensdauer sichergestellt werden. Das heißt: Um die Server-Rechenleistung aus der Ebene der Unternehmenssteuerung auch auf Feldebene nutzen zu können, muss sie um Industriemerkmale ergänzt werden.

Ein kritisches Thema bei besonders leistungsfähigen Systemen ist die ­Entwärmung. Gerade im industriellen Umfeld herrschen oft wesentlich ­höhere Umgebungstemperaturen als in klimatisierten Serverräumen. Deshalb sind hier spezielle Komponenten und Kühlkonzepte notwendig, um die Systeme für den zuverlässigen 24/7-Einsatz in rauen Umgebungen zu rüsten. Dazu zählen speziell für den Industrie-Einsatz entwickelte Mainboards, die durch Verwendung von Feststoffkondensatoren eine ­spezifizierte Lebensdauer von über 80.000 Stunden bei Umgebungstemperaturen von 0 bis +60 °C erreichen. Ebenso zum Einsatz kommen für den industriellen Dauerbetrieb ausgelegte Festplatten, die auch bei Umgebungstemperaturen von bis zu +60 °C höchste Ausfallsicherheit bieten. Server-Festplatten sind dahingegen meist nur für Temperaturen zwischen +20 und +30 °C ausgelegt, darüber steigt das Ausfallrisiko schnell an. Kühlkonzepte im industriellen Umfeld müssen ­einerseits einen wesentlich höheren Luftdurchsatz als in klimatisierten ­Serverräumen erzielen, andererseits muss der Luftstrom im Inneren des Rechners so geleitet werden, dass er alle kritischen Komponenten trotz ­anspruchsvoller Umgebungsbedin­gungen ausreichend kühlt und warme Luft aus dem Gehäuse leitet.

Neben der aktiven Belüftung wird bei kompakten Systemen oft eine passive Kühlung notwendig, wenn der PC ohne drehende Teile aufgebaut werden soll, etwa wegen Vibrationen oder stehender Luft. Mittels Heatpipes und groß­flächigen Kühlkörpern wird die im Rechner entstehende Wärme an die Umgebung abgegeben. Die passiv gekühlten High-Performance-Systeme von Inonet Computer sind für den zuverlässigen Dauereinsatz bei Umgebungstemperaturen bis +60 °C ausgelegt. So lässt sich selbst in rauen industriellen Umgebungen hohe CPU-Power ohne Abstriche bei der Ausfall­sicherheit der Computer realisieren.

Servertechnik mit Industriestandards

Für den steigenden Bedarf nach Server-Performance im industriellen Umfeld hat Inonet Computer ein High-Per­formance-Computing-Portfolio (HPC) für viele Anwendungsgebiete entwickelt. Es umfasst 19-Zoll-Systeme mit XEON-Prozessoren, industrieharten Komponenten und leistungsfähigen Erweiterungssteckplätzen sowie aktiv und passiv gekühlte Kompaktsysteme mit Intel-Core-Prozessoren für den Embedded-Bereich. Industrielle IoT-Gateways nehmen die Daten vom Sensor auf und stellen sie in Echtzeit den Hochleistungsrechnern zur Verfügung. Denn Netzwerk- und Rechengeschwindigkeit sind entscheidend innerhalb der autonom ablaufenden Prozesse der gesamten Anlage, wie sie im Rahmen von Industrie 4.0 stattfinden. Für das Empfangen, Verarbeiten und Versenden der Daten sind die HPCs über eine industrietaugliche Infrastruktur (Switches, Repeater, Access Points) angebunden. Dabei verarbeiten die 19-Zoll HPC-Systeme anlagennah alle anfallenden Daten direkt und schicken daraus resultierende Befehle zurück in die Maschine. Die übrigen verarbeiteten Daten legt der HPC-Rechner in der Cloud oder auf dem Storage-System ab.

Die Systeme sind als Single- und Dual-XEON-Varianten mit bis zu 18 Kernen pro Prozessor erhältlich. In der Mayflower-HPC-II sind Prozessoren der aktuellsten Generation enthalten, die dank neuer Intel-Grantley-Mikroarchitektur eine deutlich höhere Rechenleistung und Energie-Effizienz erzielen als ihre Vorgänger. Mit einem ­Multichannel-Arbeitsspeicher (maximal 256 GByte DDR4) verarbeiten die Rechner große Datenmengen bei einer Transferrate von 2133 MHz pro Sekunde. Gleichzeitig erfüllt die HPC-Serie alle Industriestandards, darunter einen Arbeitstemperaturbereich von über +45 °C und Robustheit gegenüber Staub und Schmutz sowie Erschütterungen und Vibrationen bis 1 g. Das High-Performance-Computing-Portfolio erreicht durch die Verwendung von Feststoffkondensatoren eine besonders lange Lebensdauer – selbst im Dauerbetrieb und bei hohen Temperaturen.

Die Embedded-Modelle verfügen über bis zu vier PCIe-Steckplätze. Mit diesen können mehrere Framegrabber für je 16 Kameras an ein einziges System angeschlossen werden. Derartige Systeme mit Motion-Control- und Framegrabber-Karten, die gleichzeitig Kameras und Greifarme steuern, sind bereits zur Oberflächeninspektion im Einsatz. Für die HPC-Rechner kann Inonet auf Mainboards zurückgreifen, die speziell für den industriellen Dauereinsatz entwickelt wurden und darüber ­hinaus die Ausfallzeiten bei starker Auslastung der Systeme reduzieren.

Neuer Ansatz GPU-Computing

In rechenintensiven Anwendungen können jedoch selbst schnelle CPUs ob der schieren Menge an zu verarbeitenden Daten an ihre Grenzen geraten. Deshalb nutzt man hier das GPU-Computing – etwa in der Bildverarbeitung, Dabei werden leistungsstarke Grafikkarten mit tausenden Kernen innerhalb der GPU (Graphics Processing Unit) in die Datenverarbeitung eingebunden. Berechnungen, die sich parallelisieren lassen, kann die GPU erledigen, während den übrigen Code die CPU übernimmt. Denn die Stärke der GPU liegt darin, dass sie in vielen kleinen Recheneinheiten mehrere Aufgaben parallel, also gleichzeitig, erledigen kann – im Gegensatz zur CPU, die mit wenigen leistungsstarken Cores auf die serielle Verarbeitung von Daten optimiert ist.

Bei 1000 Sensoren, die gleichzeitig und regelmäßig kleinere Datenmengen zur Verarbeitung an einen Knotenpunkt schicken, muss eine CPU diese 1000 Datenpakete hintereinander abarbeiten. Die GPU hingegen verarbeitet alle Pakete auf einmal, da die Vielzahl ihrer Kerne parallel arbeiten. Ab einer gewissen Menge an Sensoren benötigt ein CPU-System demnach wesentlich mehr Zeit für die Verarbeitung der Datenpakete. Daher müssten weitere Server angeschafft werden, um eine Analyse der Daten in Echtzeit zu ermöglichen. Die Alternative: Ein einziger GPU-Rechner übernimmt diese Aufgabe. Ein 2HE-GPU-Server von Inonet bietet Platz für vier Coprozessor-Karten, etwa die Nvidia Tesla mit je 5000 Kernen. Die IT-Infrastruktur wird dadurch deutlich schlanker. Für Anwender öffnet das die Türen zu ganz neuen Geräteklassen, die eine Zeit- und Kostenersparnis darstellen und so eine effizientere Produktion erlauben. Das GPU-Computing kommt in der Industrie zum Beispiel für die visuelle Inspektion innerhalb der Fertigungslinie zum Einsatz – auch wenn es dort noch in den Anfängen steckt. Verwendet werden hier meist Gaming-Grafikkarten, deren Leistungsniveau weit unter dem von sogenannten GPGPU-Karten (General Purpose Graphics Processing Unit) liegt.

Anwendung und Technik verknüpfen

Neben der reinen PC-Technologie ist das Software-Design entscheidend, um die Vorteile des HPC beziehungsweise GPU-Computing tatsächlich nutzen zu können. Dazu muss die Software des Kunden in erster Linie eine Parallelisierung der Datenverarbeitung unterstützen. Bei extrem komplexen Berechnungen wie Aerodynamik-Simulationen bei Fahrzeugen werden tausende Messpunkte des Objekts auf ihre aerodynamischen Eigenschaften in einem simulierten Luftstrom getestet. Dadurch lässt sich das Material schon vor dem Test im realen Windkanal optimieren. Hierfür leistet Inonet Projektbegleitung sowie Support und entwickelt zusammen mit seinen OEM-Kunden auf allen Computing-Ebenen Systeme, die entsprechend der Applikation kundenspezifisch ausgerüstet und gefertigt sind. Auf Basis der Anwendung und der eingesetzten Software-Systeme werden unterschiedliche Technologien verschiedener Hersteller zu einem Produkt kombiniert. OEMs profitieren dabei von der engen Zusammenarbeit mit Intel und Nvidia, die beide den Industriemarkt für sich entdeckt haben und mit langlebigen Produkten bedienen.

Autor: Benedikt Merl ist Public Relations Manager bei Inonet Computer.