Jednak aby przetwarzać dane w czasie rzeczywistym z niskim opóźnieniem w trudnych warunkach produkcyjnych i zewnętrznych, takie rozwiązania muszą być specjalnie i dodatkowo zabezpieczone. W tym celu pierwsze na świecie moduły serwerowe w standardzie COM-HPC, zaprojektowane pod kątem wykorzystania poza klimatyzowanymi centrami danych, są obecnie wprowadzane na rynek.

Cyfrowa transformacja w produkcji przemysłowej wymaga szybkich sieci działających w czasie rzeczywistym, ale nie zawsze ułożenie kabli w dowolnym miejscu jest możliwe. Dlatego też, standard 5G działający w czasie rzeczywistym stanowi prawdziwą rewolucję w komunikacji przemysłowej. Zapewnia niezawodną bezprzewodową dystrybucję i przetwarzanie ogromnych ilości danych w czasie rzeczywistym, a przede wszystkim na większe odległości niż w przypadku sieci WLAN. Ponieważ z sieci 5G mogą korzystać zarówno urządzenia stacjonarne, jak i mobilne, możliwe staje się łączenie całych fabryk. W takich przypadkach, standard 5G zapewnia zarządzanie dużą gęstością urządzeń sieciowych, gwarantując krótkie czasy odpowiedzi i opóźnienia w zakresie milisekund. Możliwość dzielenia sieci 5G umożliwia tworzenie niezależnych, wirtualnych sieci, oddzielonych od siebie logicznie pojedynczą siecią fizyczną. Standard 5G zapewnia również podstawy do wprowadzenia natywnych architektur dla rozwiązań chmurowych, które dzięki przetwarzaniu brzegowemu z wykorzystaniem 5G stają się serwerami typu “fog” pracującymi w czasie rzeczywistym, mogącymi komunikować się bezprzewodowo z urządzeniami wszelkiego rodzaju.

Prywatne infrastruktury 5G dla krytycznych zastosowań biznesowych

Otwarcie zakresu częstotliwości 3,7 do 3,8 GHz dla prywatnych sieci komórkowych oznacza, że standard 5G może być wykorzystywany i obsługiwany prywatnie przez wiele sieci środowiskowych w środowiskach Przemysłu 4.0 oraz w infrastrukturze krytycznej w wielu innych dziedzinach przemysłu. Skalowalność tych prywatnych infrastruktur oraz kompatybilność rozwiązań 5G z poprzednimi standardami komunikacji mobilnej, które można oczekiwać w przypadku przyszłych rozwiązań, gwarantują wysokie bezpieczeństwo inwestycji. W związku z tym coraz więcej firm zakłada własne, prywatne, lokalne sieci 5G aby obsługiwać zastosowania krytyczne dla biznesu i digitalizować produkcję. Zgodnie z badaniem przeprowadzonym przez MarketsandMarkets oczekuje się, że ten trend będzie się nasilać w nadchodzących latach.

Oczywiście firmy mogą również korzystać z sieci publicznych. Jednak na obszarach wiejskich, gdzie publiczna stacja bazowa (zwana też makro komórką) wykorzystuje pasmo 700 MHz do osiągnięcia zasięg rzędu 15-20 km, szybkość transmisji danych jest ograniczona do 100-200 Mbit/s. Jest to wystarczający zasięg, aby obsłużyć całą, dużą fabrykę samochodów – w przypadku zakładu VW w Wolfsburgu to ponad 6 km kwadratowych – za pomocą jednej komórki 5G. Jednak dostępna przepustowość łącza nie jest wystarczająca dla w pełni połączonej fabryki. Wymagałoby to pełnej przepustowości danych 5G, dlatego firmy chcą budować własne sieci terenowe. Zbudowanie sieci pracujących w zakresie częstotliwości od 3,7 do 3,8 GHz umożliwia osiągnięcie maksymalnej prędkości wysyłania danych od 100 do 200 Mbit/s oraz prędkości pobierania w zakresie od 200 do 1000 Mbit/s. Należy jednak pamiętać, że zakres działania komórki jest ograniczony do obszaru od 300 metrów do 3 kilometrów, w przypadku zapewnienia bezpośredniej widoczności nadajnika. Dlatego też na obszarze fabryki konieczne jest zastosowanie więcej niż jednej komórki. Wówczas bardzo często stosuje się bardzo kompaktowe komórki zwane małymi komórkami lub femto-komórkami. Małe komórki mają wielkość pudełka na pizzę. W przypadku rozwiązań bez zintegrowanego serwera brzegowego, dostępne są mniejsze femtokomórki, wielkości książki kieszonkowej, które można kupić jako osoba prywatna.

Solidna technologia serwerów brzegowych 5G otwiera nowe wymiary wydajności

W takich instalacjach, w idealnym przypadku, infrastruktura serwera brzegowego w mikrokomórkach 5G powinna być dostępna bezpośrednio w stacji bazowej lub w infrastrukturze RAN (Radio Access Network) za pomocą VNF (Virtual Network Functions). Jeżeli spełnione zostaną wymagania dotyczące opóźnień, możliwe jest ich zainstalowanie w innym miejscu infrastruktury – np. w mikro centrach danych. Zaletą współdzielonej platform sprzętowej jest to, że zarówno funkcjonalność chmurowego serwera brzegowego, jak i wirtualizacja funkcji sieciowej (NFV - Network Function Virtualization ) mogą być uruchomione razem w jednostce centralnej (CU - Centralized Unit).

Do generowania i przetwarzania sygnałów 5G komórki wymagają integracji całego niezbędnego sprzętu. Stanowi to fizyczny interfejs pomiędzy siecią radiową 5G a cyfrowym pasmem podstawowym. Konieczne jest zapewnienie wydajności serwera wymaganej do realizacji poszczególnych funkcji serwera brzegowego. Ponieważ realizowane funkcje mogą się różnić w zależności od zastosowania, zalecane jest modułowe podejście do projektowania i użycie serwerów na modułach. W takim przypadku, funkcje specyficzne do danego zastosowania mogą być realizowane na płycie nośnej – np. implementacja logiki radia 5G z wykorzystaniem odpowiednich modułów rozszerzających. Dzięki serwerom modułowym bazującym na nowym standardzie PICMG COM-HPC i nowych procesorach Intel Xeon D, programiści zyskują dostęp do klasy wydajności, która wcześniej nie była dostępna dla produktów stosowanych w trudnych warunkach. Wzmocnione, przemysłowe moduły mogą pracować w rozszerzonym zakresie temperatur – od -40°C do +85°C, ponadto, zostały zaprojektowane z myślą o zapewnieniu dostępności przez długi okres czasu. Dodatkowo, zastosowano specjalne zabezpieczenia przed zakłóceniami elektromagnetycznymi, jak również przed wstrząsami i wibracjami.

W celu zapewnienia wymaganej wydajności, moduły są wyposażone w procesory zawierające nawet 20 rdzeni, do 1 TB pamięci w maksymalnie 8 gniazdach DRAM z prędkością 2933MT/s, do 47 linii PCIe na moduł oraz 32 linie PCIe Gen 4 o podwójnej przepustowości dla każdej linii, jak również obsługę sieci o prędkości maksymalnej 100 GbE, obsługującej TCC (time-coordinated computing) oraz TSN (time-sensitive networking), co zapewnia komunikację w czasie rzeczywistym pomiędzy urządzeniami. Wydajność będzie rosła wraz z pojawianiem się nowych modułów na rynku. Jednakże dostępna dziś wydajność jest w pełni wystarczająca do obecnych projektów sieci środowiskowych z rozwiązaniami Open-RAN wykorzystującymi w sumie 5 procesorów dla rdzenia pakietów typu “backhaul” i serwerów typu “midhaul” CU/DU. Te jednak wymagają klimatyzowanych szaf i nie mogą być używane w rozszerzonym zakresie temperatur. Konsolidacja tych funkcji w pojedynczej mikrokomórce umożliwia wdrożenie mniej wydajnych, ale zdolnych do pracy w czasie rzeczywistym małych komórek 5G, zbudowanych z wykorzystaniem zaledwie dwóch zwirtualizowanych modułów.

Deterministyczna praca w czasie rzeczywistym z natywną wirtualizacją w chmurze

Jednak aby zapewnić możliwość niezależnego uruchamiania różnych aplikacji działających w czasie rzeczywistym na jednym serwerze brzegowym, konieczne jest zapewnienie usług równoważenia i konsolidacji serwerów. Obie te usługi są wymagane do obsługi po stronie platform maszyn wirtualnych pracujących w czasie rzeczywistym, które realizują funkcjonalność serwera dla potrzeb komunikacyjnych abonentów 5G. Idealnym rozwiązaniem jest np. hiperwizor czasu rzeczywistego firmy Real-Time Systems. Taka wirtualizacja umożliwia przedsiębiorstwom wykorzystanie ich prywatnych sieci 5G do obsługi heterogenicznych rozwiązań czasu rzeczywistego, zainstalowanych na pojedynczej platformie serwerowej poprzez zastosowanie dzielenia sieci. Pozwala to na przydzielanie dedykowanych zasobów systemu do poszczególnych zadań i procesów, co zapewnia determinizm działania. Serwery na modułach firmy congatec zostały zaprojektowane i zoptymalizowane pod kątem takich przypadków użycia – mogą być szybko modyfikowane w celu uwzględnienia niezbędnych parametrów dla usług kolokacji w czasie rzeczywistym, gdzie różne aplikacje współdzielą zasoby. Umożliwia to operatorom fabryk łatwiejsze udostępnianie serwerów brzegowych 5G pracujących w czasie rzeczywistym na potrzeby takich usług jak automatyzacja maszyn, sterowanie robotami lub zaumatyzowana logistyka w zakładach produkcyjnych.

Kolejną zaletą nowych modułów jest to, że natywnie integrują one TSN już w module procesora. Jeżeli rdzeniowa logika 5G również obsługuje TSN, wówczas moduły zapewniają ustandaryzowaną wymianę danych i ciągłą, przejrzystą komunikację z czujnika do chmury, np. z wykorzystaniem OPC UA jako otwartego protokołu do komunikacji w czasie rzeczywistym. 5G Alliance for Connected Industries i Automation (5G-ACIA), grupa robocza wiodącego niemieckiego stowarzyszenia producentów ZVEI, opracowuje niezbędne specyfikacje dla QoS, bezpieczeństwa sieci, a przede wszystkim - integracji TSN. Powinno to umożliwić uzyskanie izochronicznego czasu rzeczywistego, bez jittera, w którym czasy cyklu komunikacji są precyzyjnie taktowane i mogą być synchronizowane w obu kierunkach w zakresie od 100µs do 2ms.

W przyszłości specyfikacja COM-HPC zostanie rozszerzona o bezpieczeństwo funkcjonalne. Moduły, które będą zgodne z nowymi wymaganiami, mogłyby zostać wykorzystane jako centralne sterowniki autonomicznych pojazdów intra logistycznych, takich jak holowniki, jednostki ładunkowe, wózki widłowe, pojazdy linii montażowej lub wózki podnośnikowe, lub też do sterowania pracą robotów współpracujących. Umożliwi to dostarczenie wstępnie certyfikowanych modułów, które ułatwią i przyspieszą klientom realizację nowych rozwiązań związanych z bezpieczeństwem.

Rozwiązanie typu “wszystko w jednym”: serwery na modułach COM-HPC dla mikrokomórek 5G

Nowe serwery na modułach COM-HPC rewolucjonizują projektowanie serwerów brzegowych pod trzema względami: Wytrzymałe konstrukcje serwerów, wyposażone w nowe procesory Intel Xeon D można instalować w mikrokomórkach prywatnych sieci 5G, bez dodatkowej klimatyzacji. To, jak również możliwość pracy w rozszerzonym zakresie temperatur sprawia, że nowe konstrukcje mogą być używane poza standardowymi środowiskami przemysłowymi – czyli w zastosowaniach na zewnątrz i w systemach mobilnych w budownictwie lub rolnictwie. Pierwsze na świecie serwery modułowe COM-HPC firmy congatec zapewniają znacznie większą wydajność i skalowalność, oferując znacząco większą przepustowość pamięci, możliwość wykorzystania nawet 20 rdzeni i nawet 8 gniazd DRAM. Abstrahując od faktu, że są pierwszymi rozwiązaniami tego typu w branży, umożliwiają deterministyczne działanie w czasie rzeczywistym w przemysłowych rozwiązaniach IoT. Dzięki temu stanowią one idealną podstawę do budowy dopasowanych do potrzeb klienta komórek 5G z wbudowaną technologią serwerów brzegowych – rozwiązanie typu “wszystko w jednym”.

Dla administratorów sieci 5G, nowe moduły oferują zestaw wysokiej jakości funkcjonalności serwera: W przypadku rozwiązań krytycznych biznesowo, oferują zaawansowane funkcje zabezpieczeń sprzętowych, łącznie z Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption – Multi-Tenant (Intel TME-MT) oraz Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Rozbudowane funkcjonalności zdalnego serwera aplikacji (RAS - remote application server) obsługują funkcje zdalnego zarządzania sprzętem, takie jak IPMI i Redfish, dla których dostępna jest specyfikacja PICMG, co zapewnia bezproblemową współpracę takich implementacji. Wreszcie, congatec zapewnia również kompleksowe usługi, pomagając w indywidualnym rozwoju systemu i wdrożeniach dostosowanych do wymagań klienta. Usługi te obejmują szkolenia w zakresie projektowania rozwiązań bazujących na COM-HPC, wsparcie w zakresie integrowania systemów, jak również testowanie zgodności projektów płyt nośnych dostosowanych do wymagań klienta.

Author*: Zeljko Loncaric is Marketing Engineer at congatec

Podpis 1: Przemysłowe komórki 5G mogą realizować niezwykle różnorodne zadania. Serwery modułowe, umożliwiające skalowanie wydajności sieci 5G i przetwarzania brzegowego, umożliwiają producentom OEM efektywne kosztowo skalowanie wydajności małych komórek, niewiele większych od pudełka po pizzy.

Podpis 2: Jeżeli komórki 5G obsługują TSN, mogą obsługiwać aplikacje działające w czasie rzeczywistym.

Podpis 3: Płyty nośne dostosowane do wymagań klienta można zaprojektować nawet dla komórek 5G w słupach latarni.

Podpis 4: Konsolidacja serwera w brzegowym serwerze 5G: Nawet 20 rdzeni może obsługiwać różnorodne aplikacje 5G NVF i przemysłowe aplikacje czasu rzeczywistego.

Już dostępne: Serwery modułowe z procesorem Intel Xeon D

Dostępne są już gotowe do użycia egzemplarze poniższych serwerów modułowych. Dostępne są również odpowiednie, wzmocnione rozwiązania z zakresu chłodzenia, właściwe dla wartości parametru TDP danego procesora. Jeśli chodzi o oprogramowanie, nowe moduły są dostarczane z kompleksowymi pakietami do obsługi płyty dla systemów Windows, Linux i VxWorks, jak również z hiperwisorem RTS. Obsługiwane warianty z dużą ilością rdzeni (HCC - high core count) i małą ilością rdzeni (LCC - low core count) procesorów Intel Xeon D obejmują:

Warianty HCC

Moduły COM-HPC Server Size E (conga-HPC/sILH) są oferowane z 5 różnymi wariantami procesorów Intel Xeon D 27xx HCC z możliwością wyboru od 4 do 20 rdzeni, 8 gniazd DIMM dla maksymalnie 1 TB szybkiej pamięci DDR4 o maksymalnej prędkości przesyłu danych 2933 MT/s z ECC, 32x PCIe Gen 4 oraz 16x PCIe Gen 3, obsługą sieci 100 GbE oraz sieci Ethernet 2.5 Gbit/s czasu rzeczywistego z obsługą TSN/TCC, przy mocy podstawowej procesora na poziomie 65-118 Watów.Moduły COM-HPC Server Size E (conga-HPC/sILH) są oferowane z 5 różnymi wariantami procesorów Intel Xeon D 27xx HCC z możliwością wyboru od 4 do 20 rdzeni, 8 gniazd DIMM dla maksymalnie 1 TB szybkiej pamięci DDR4 o maksymalnej prędkości przesyłu danych 2933 MT/s z ECC, 32x PCIe Gen 4 oraz 16x PCIe Gen 3, obsługą sieci 100 GbE oraz sieci Ethernet 2.5 Gbit/s czasu rzeczywistego z obsługą TSN/TCC, przy mocy podstawowej procesora na poziomie 65-118 Watów.

Warianty LCC

Nowe moduły COM-HPC Server Size D, jak również tradycyjne moduły COM Express Type 7 są dostępne z 5 różnymi procesorami Intel Xeon D 17xx LCC z możliwością wyboru od 4 do 10 rdzeni. Serwery modułowe conga B7Xl COM Express obsługują maksymalnie 128 GB pamięci DDR4 2666 MT/s RAM z wykorzystaniem maksymalnie 4 gniazd SODIMM, zaś serwer modułowy conga-HPC/SILL COM-HPC Server Size D umożliwia wykorzystanie 4 gniazd DIMM w których można zainstalować maksymalnie 256 GB pamięci RAM 2933 MT/s DDR4 lub 128 GB pamięci RAM z ECC UDIMM. Obie rodziny modułów oferują 16 linii PCIe Gen 4 oraz 16 linii PCIe Gen 3. W celu zapewnienia szybkiej transmisji danych w sieci, zapewniają maksymalną przepustowość na poziomie 50 GbE z obsługą TSN/TCC z wykorzystaniem Ethernet 2.5 Gbit/s przy mocy procesora 40 67 Watów.