Модульные периферийные компьютеры для консолидации рабочих нагрузок

Консолидация рабочих нагрузок, которая в прошлом была в основном зарезервирована для виртуализации серверов центров обработки данных (ЦОД), давно перестала ограничиваться хорошо кондиционируемыми серверными шкафами. Сейчас спрос растет и на периферийные (граничные) промышленные приложения. Здесь производители машин и систем, а также конечные пользователи, занятые в индустриальной сфере, хотят виртуализировать свои приложения «Индустрии 4.0» непосредственно на локальных пограничных серверах. В то же время на тех же пограничных серверах вместо того, чтобы назначать задачи управления нескольким выделенным системам, они хотят консолидировать и различные элементы управления, распределенные по производственной ячейке. Такой подход позволяет эффективнее использовать комбинированную вычислительную производительность, что в конечном итоге снижает общие затраты на управление.

Рис. 1. Полностью модульные пограничные и туманные серверы предлагают поддержку гипервизора реального времени и основаны на модулях типа сервер-на-модулях, что в дополнение к балансировке нагрузки дает возможность обеспечить сбалансированность цены и производительности в зависимости от приложения

Наряду с системными затратами такое решение сокращает и затраты на обслуживание и администрирование. Более того, консолидация рабочей нагрузки на периферийных и туманных серверах с резервированием помогает повысить надежность и отказоустойчивость. Это связано с тем, что при использовании нескольких распределенных систем повышается вероятность отказа одного из звеньев цепи, а следовательно, и всей цепочки. Соответственно, для того чтобы иметь возможность разрабатывать чрезвычайно разнородные и ориентированные на конкретные приложения пограничные и туманные серверы, OEM-производителям необходим мощный гипервизор реального времени (рис. 1), а также многоядерная платформа, подходящая для конкретного приложения. Поскольку не имеет значения, на какой серверной платформе работает гипервизор, модульная конструкция оборудования — это первый шаг, позволяющий в зависимости от приложения и в дополнение к балансировке нагрузки обеспечить оптимальное соотношение цены и производительности. Такой модульный аппаратный подход уже можно найти во многих периферийных системах, от самых маленьких шлюзов до крупных промышленных серверов (рис. 2).

Рис. 2. Ряд производителей уже создали инновационные модульные системы граничных серверов, от небольших шлюзов LoRa до пограничных серверов интеллектуальной сети и промышленных стоечных серверов

Шлюз LPWAN для LoRa

Наглядный пример из сегмента с низким энергопотреблением — это шлюз LoRa от специалистов по разработке встроенных систем компании EXPEMB. Созданный для использования в различных сценариях LoRa, он должен обеспечивать реализацию столь же разнообразной граничной логики. Например, в производственной среде LoRa применяется для подключения автономных интеллектуальных датчиков IoT или отслеживания перевозчиков грузов с целью мониторинга и оптимизации внутреннего потока, деталей, комплектов, готовых продуктов или товаров. Поскольку шлюз объединяет модули в виде COM — в данном случае модули Qseven с процессорами Intel Atom, — он предлагает гибкую аппаратную настройку, которую можно легко корректировать как на аппаратной, так и на програм­мной стороне, что позволяет удовлетворить самые разные технические требования для приложений «Интернета вещей» на базе LoRa. Помимо балансировки нагрузки, это делает возможной и балансировку цены и производительности для каждого конкретного приложения.

Пограничные серверы для интеллектуальных электросетей

Высокая гибкость требуется и для периферийных серверов, подобных персональным компьютерам (ПК). Например, в настоящее время Китай в сотрудничестве с партнером по «Интернету вещей» компанией Tencent развертывает именно пограничный уровень на энергетическом рынке для распределенной системы управления интеллектуальными электросетями. Конструкция пограничного сервера такого типа должна обеспечивать управление распределенными генераторами и потребителями электроэнергии на заводах и в промышленных парках, а поскольку установленная база всегда неоднородна, то и конструктивное решение для такого оборудования должно быть модульным. В этом случае используются компьютеры на модулях COM Express Type 7. Первые системы интегрируют модули с процессорами Intel Xeon D15xx, имеющими до 16 ядер и 32 потока. Альтернативные конфигурации основаны на процессорах Intel Atom C3xxx. Эти процессоры, имеющие до 16 ядер, оптимальны для всех систем, где необходимо объединить различные рабочие нагрузки, что имеет большое значение с точки зрения как оптимизации энергопотребления, так и стоимости, независимо от того, использует система процессор Xeon или Atom.

Модульные стоечные серверы для сложных условий среды эксплуатации

Конечно, для снижения инвестиционных затрат на управление роботизированными системами, производственными ячейками, а также сложной упаковкой и станками вполне возможно построить гораздо более мощные стоечные серверы, в которых установлены стандартизованные компьютерные модули. Примером данной модульной конструкции служат серверы от таких поставщиков, как Christmann, которая успешно интегрировала сервер-на-модулях COM Express Type 7 и уже планирует проекты на основе нового стандарта модулей COM-HPC. Помимо обеспечения идеальной проектной основы для конкретной задачи, в пользу этих серверов говорит их высокая масштабируемость, позволяющая увеличить производительность для будущих нужд. Здесь имеются в виду серверы второго поколения, которые, несомненно, потребуются через три-пять лет в связи с быстрым развитием технологического прогресса. Как ожидается, такой переход будет стоить примерно половину от первоначальных инвестиций. Это связано с тем, что в большинстве случаев понадобится заменить только модуль процессора. Чтобы в полной мере использовать значительную экономию совокупной стоимости владения, монтируемые в стойку серверы Christmann можно гибко оборудовать с увеличением до 27 микросерверов. Эти три примера иллюстрируют огромные преимущества, которые компьютер-на-модулях и сервер-на-модулях предлагают для пограничных шлюзов и пограничных серверов.

Комплект консолидации рабочей нагрузки в реальном времени

Однако без поддержки гипервизора реального времени все вышесказанное — лишь половина решения. Кроме того, необходимо обеспечить соответствующую программную поддержку оборудования. С этой целью компания congatec в сотрудничестве с компаниями Intel и Real-Time Systems разработала и готовый к производству комплект для консолидации рабочих нагрузок (рис. 3).

Рис. 3. Стартовый комплект консолидации рабочих нагрузок в реальном времени от компании congatec основан на модуле COM Express Type 6 с процессором Intel Xeon E2 и гипервизором RTS от Real-Time Systems

Этот комплект, сертифицированный Intel в марте 2020 года, предназначен для следующего поколения совместной робототехники на основе изображений, контроллеров автоматизации и автономных транспортных средств, которым необходимо выполнять несколько задач параллельно, включая ситуационную осведомленность с использованием алгоритмов искусственного интеллекта (ИИ) на основе глубокого обучения (рис. 4). Платформа, готовая к разработке практического решения, основана на модуле COM Express Type 6 с процессором Intel Xeon E2 и объединяет три предварительно настроенные виртуальные машины. Это позволяет продемонстрировать запуск приложений в реальном времени на виртуальной машине даже во время работы, когда другое системное приложение перезагружается. Но для того чтобы платформа действительно соответствовала требованиям завтрашнего дня и могла наиболее эффективно поддерживать консолидацию рабочих нагрузок, она должна предоставлять с помощью индивидуальных конструкций несущих плат все базовые условия, необходимые для гибкого подключения.

Рис. 4. Подключение комплекта

Включена поддержка чувствительного ко времени сетевого обмена данными

Для реализации цели, указанной в заголовке этого раздела, комплект поддерживает Time-Sensitive Networking (TSN) — стандарт передачи данных в реальном масштабе времени в детерминированных сетях Ethernet. Стандарт подготовлен целевой группой Time-Sensitive Networking task group, созданной рабочей группой по стандартизации IEEE 802.1. Поддержка TSN становится незаменимой с появлением на заводе технологий 5G и сетей 10+ GbE и является базовым требованием для обработки данных в реальном времени в тактильных интернет-средах. Технология TSN включает ряд стандартов, таких как IEEE 802.1q для виртуальных локальных сетей через Ethernet, формирование с учетом времени (Time Aware Shaping, TAS), стандартизованное в IEEE 802.1Qbv для гарантированной минимальной задержки передачи или синхронизацию в реальном времени через протокол точного времени (Precision Time ProtocolPTP), как это определено в стандарте IEEE 1588. PTP отвечает за синхронизацию времени между узлами. Время устанавливает мастер-устройство. Отдельные ведомые устройства синхронизируют свои часы с точностью до двузначного числа наносекунд. На основе этих синхронизированных часов пакеты могут иметь отметку времени и отправляться после отметки. Другими словами, сети PTP могут синхронизироваться с точностью до двузначной нано­секунды, однако нельзя забывать, что время прохождения IP-пакетов также влияет на конечное поведение приложения в реальном времени. В случае интерфейса Intel Ethernet I219 синхронизация часов на 100% основана на данном стандартном компоненте. Это дает ему двойное преимущество: он встроен в аппаратное обеспечение и не требует каких-либо дополнительных проприетарных приложений или специального оборудования.