Решения Advantech на основе компьютеров-на-модуле

Отдельные рабочие станции: модули COM Express Type7

Управление энергопотреблением в жестких условиях эксплуатации в отдаленных малозаселенных районах связано с множеством проблем. Для их устранения один из клиентов компании Advantech искал устойчивое к воздействиям среды и надежное решение, способное обеспечить стабильное круглосуточное обслуживание в пределах обширной географической области. Вместо того чтобы строить множество локальных компонентов системы, заказчик выбрал наружные серверные шкафы, поддерживающие энергообеспечение с помощью удаленно управляемых модулей, которые централизованно контролировались сервисным центром.

Задача и проблемы ее решения

В описанной сложной ситуации наиболее подходящей оказалась архитектура кластерной системы. В этом направлении клиент уже интегрировал информационно-технологическое обеспечение процесса (IT-OT) для передачи данных в реальном времени и с помощью управления процессами реализовал аппаратно-программное обеспечение для совместной работы систем. Причем это было сделано так, чтобы обеспечить своевременную доставку точной информации на объекты. Кроме того, были приняты меры по поддержанию адекватной кибербезопасности.

Однако, поскольку объекты должны работать в жестких условиях окружающей среды и на больших площадях, было довольно-таки сложно обеспечить стабильное и свое­временное соединение. Поскольку у клиента не было готового кластерного компьютера повышенной прочности для разработки необходимой экосистемы, клиент столкнулся со следующими проблемами:

• Ограниченные ресурсы для обеспечения бесперебойного реагирования на проблемы управления разрозненной инфраструктуры.
• Расширение бизнеса с большим охватом услуг затруднило управление отдельными комплексами оборудования.
• Обеспечение долгосрочной поддержки при работе в жестких условиях среды эксплуатации.

Решение задачи

За основу решения был взят высокопроизводительный модуль COM Express SOM-5962 компании Advantech (рис. 1) — базовый модуль COM Express Type7 серверного уровня, обеспечивающий выбор процессора 2–16 ядрами и позволяющий использовать до 128 Гбайт памяти. На заводе-изготовителе компании Advantech он прошел 100%-ное тестирование при температуре от –40…+85 °C. Более того, опциональная SO-DIMM с защищенным дизайном и предварительная сборка доказали высокую устойчивость модуля к сильным ударам, вызванным порывами шквального ветра.

Рис. 1. Модуль SOM-5962 COM Express Type 7 компании Advantech на процессоре Intel Atom C3000

Заказчик принял эту модель и при проектировании своей кластерной системы использовал несколько единиц такого продукта, а также предложенную компанией Advantech прочную конструкцию. При этом он извлек выгоду из снижения затрат на создание кластера и время разработки конечной системы, что позволило быстро развернуть проект платформы для ее распространения на другие системы. Благодаря гибкости компьютеров-на-модулях COM Express заказчик смог реализовать поставленные задачи, легко расширив возможности уже своих продуктов.

Результат сотрудничества

Уже более десяти лет компьютеры-на-модулях COM Express от компании Advantech являются популярной встраиваемой платой, и в описанном случае клиент остался доволен ее стандартным, но при этом достаточно гибким конструктивным исполнением. При установке в систему блейд-серверов компьютера-на-модуле небольшого форм-фактора при низком собственном энерго­потреблении была обеспечена высокая вычислительная эффективность.

На данный момент компания Advantech завершила программу по разработке линейки продуктов серверного класса на основе спецификации Type7, упрощая модернизацию и преобразование новых рабочих станций, предназначенных для эксплуатации вне помещений.

Ультразвук: тепловое решение QFCS

Ультразвуковая технология требует высокоскоростной платы на основе каналов сбора сигналов с несколькими шинами. При этом медицинское оборудование данного типа должно стабильно работать в заданных температурных режимах и соответствовать многочисленным стандартам безопасности и надежности.

Задача и проблемы ее решения

Высокопроизводительные платы, используемые в медицинском оборудовании, подвержены проблемам рассеивания и отвода тепла. Эти проблемы возникают, когда нагруженный вычислительными процессами высокопроизводительный процессор начинает генерировать большое количество теплоты.

Кроме самой вычислительной обработки, для поддержки вывода изображений высокой четкости требуется мощный встроенный графический процессор. Такая комбинация уникальных требований может вызвать ряд проблем для пользователей. Среди них есть следующие:

• Ограничения потока воздуха в корпусе медицинского устройства, требующие сложных конструктивных решений в части отвода тепла.
• Использование максимальных возможностей центрального (CPU) и графического (GPU) процессоров может превысить расчетную тепловую мощность (Thermal Design Power, TDP) устройства и потребовать дополнительного усовершенствования отвода тепла.
• Доступные решения для отвода тепла зачастую дороги и сложны.
• Из-за ограничений в части акустических шумов в медицинских приложениях решения должны быть тихими.
• Дополнительные проблемы — масштабируемость, производительность и простота технического обслуживания.

Решение задачи

Высокопроизводительный модуль COM Express SOM-5899 компании Advantech содержит процессор Intel Core 9-го поколения и выполнен в форм-факторе COM Express Type 6 (рис. 2). Компьютер-на-модуле обеспечивает высокопроизводительную обработку данных и полностью соответствует требованиям к конструкции ультразвуковых устройств. Одномодульная система SOM-5899 поддерживает высокую производительность обработки и множественные интерфейсы ввода/вывода (I/O), которые проектировщики могут использовать для удовлетворения специфических требований, предъявляемых к ультразвуковым устройствам медицинского назначения.

Рис. 2. Модуль SOM-5899 COM Express Basic Module Type 6 компании Advantech на процессорах Intel Xeon/Core 9-/8-го поколения

Высокопроизводительная платформа

Модуль SOM-5899 компании Advantech оснащен процессорами Intel Core H-серии 8- и 9-го поколения. По сравнению с предыдущими поколениями для лучшей производительности многопоточных приложений с интенсивными вычислениями SOM-5899 снабжен 6-ядерным процессором и поддержкой двухканальной памяти объемом до 96 Гбайт.

Система охлаждения Quadro Flow Cooling System

Для решения проблемы теплоотвода в критических приложениях компания Advantech разработала высокоэффективное тепловое решение — систему охлаждения Quadro Flow Cooling System (QFCS), использующую четыре потока для отвода тепла. Технология QFCS (рис. 3) обеспечивает высокую производительность компьютера, поддерживая 100%-ное энергопотребление процессора. Это соответствующее современным требованиям к эстетическому облику тонкое (высота 27 мм), легкое (вес 250 г) и бесшумное (45 дБ при максимальной производительности, 4300 об/мин) решение способствует быстрому отводу тепла, что позволяет упростить общую конструкцию медицинского устройства.

Рис. 3. Система охлаждения QFCS компании Advantech и принцип ее функционирования.
A. Двухфазная тепловая трубка. Для быстрого отвода тепла и снижения температуры используется двойная медная тепловая трубка.
B. Смешанная структура. Для увеличения площади охлаждения и теплообмена воздушного потока используют ребристый теплоотвод.
С. Жесткий контакт теплоотвода с процессором. Медный блок, благодаря прямому контакту, быстро отводит тепло от процессора.
D. Вентиляционные отверстия. Вертикальный поток воздуха для ускорения отвода тепла от памяти

Мощный графический процессор

Модуль SOM-5899 компании Advantech оснащен мощным графическим процессором, который поддерживает быстрое аппаратное кодирование/декодирование и HD-видео. Графический процессор поддерживает интерфейсы HDMI и DisplayPort и может использоваться с тремя независимыми дисплеями, включая графику с разрешением 4K2K, что повышает точность диагностики.

Портативная связь: COM Express Basic Module

Одним из клиентов компании Advantech был OEM-изготовитель, работающий в сфере оборонной промышленности. Он поставляет ряд быстро развертываемых и тактических коммуникационных продуктов для нужд вооруженных сил США и различных правительственных учреждений. Эта компания уделяет большое внимание мобильности и надежности, используя новейшие коммерчески доступные технологии для своевременного предоставления ориентированных на оборону решений в области кибербезопасности.

Проблема

Задача клиента состояла в том, чтобы в течение 30–60 дней поставлять для своих заказчиков прототипы в виде коммерчески готовых продуктов, способных выдерживать жесткие условия эксплуатации. Если изготовитель не может найти эффективное решение, ему придется разрабатывать собственные встраиваемые платы, несмотря на то, что ему, как правило, не хватает времени и ресурсов. Соблюдение правительственных постановлений и выполнение основных требований создавали определенные трудности. У прототипа должны были присутствовать типичные для оборудования военного назначения требования и характеристики (коррекция ошибок, самодиагностика, простота в обслуживании), включая расширенный температурный диапазон. Для выполнения заказа клиенту было выделено всего две недели (для небольшой первой партии образцов), но не было оговорено их минимальное количество для последующего заказа. Первоначально заказчик изучил материнские платы ATX в качестве потенциального варианта, но обнаружил, что они не отвечают требованиям по массогабаритным характеристикам для портативных приложений.

Решение проблемы

Компания Advantech, идя навстречу заказчику, предложила ему модуль SOM-5992 COM Express Basic Modul (рис. 4а) с самым высоким в отрасли объемом памяти (128 Гбайт) и компактный модуль COM Express SOM-6898 (рис. 4б) с мощным процессором Intel 7-го поколения и расширенными функциями безопасности. При этом клиент полностью доверился компании Advantech и положился на ее обширный опыт по встраиваемым компьютерным решениям и по настройке BIOS для предоставления самых компактных на текущий момент и наиболее безопасных портативных систем связи с необходимым качеством и производительностью, удовлетворяющим потребности рынка коммуникационного оборудования военного назначения.

Рис. 4. Модули компании Advantech:
а) SOM-5992 с процессором Intel Xeon Processor D-1500 из семейства продуктов COM Express SOM-5992 Basic Module Type 7;
б) SOM-6898 COM Express Compact Module Type 6 с процессорами Intel Core/Celeron 7-го поколения

Результат сотрудничества

Модуль SOM-5992 COM Express Basic Module снабжен четырьмя слотами памяти, что позволяет клиентам иметь на своих серверах до 128 Гбайт DDR4-памяти и превзойти конкурентов в виртуализации. Благодаря высоким вычислительным характеристикам и функциям безопасности модуля SOM-6898 COM Express Compact Module заказчик смог обновить свои серверные модули визуализации и стать лучшим в отрасли. Компания Advantech поставила готовые коммерческие модули COM Express с уже встроенными наборами функций класса MIL и достигла необходимого объема производства в рекордно короткие сроки, что, в свою очередь, позволило ее клиенту достичь поставленных целей по доходам в финансовом году.

Системы развлечений: модули COM Express Sparks Design

В данном случае заказчиком стал ведущий поставщик решений для развлечений в полете, который занимается производством всего: от головных систем типа DSU (digital server unit — цифровой серверный блок) до видеодисплеев на спинках сидений. Развлекательные системы на борту самолетов — это системы, транслирующие фильмы, музыку и игры. Поставщики таких систем постоянно адаптируются к условиям на потребительском рынке и исследуют новые технологии, благодаря которым они с помощью встраиваемых компьютерных решений могут предоставить оптимальные варианты развлечений и скрасить досуг пассажиров в полете.

При этом поставщики развлекательного оборудования рассматривают пассажиров, приносящих мобильные устройства на борт самолета, как один из крупнейших источников конкуренции. Чтобы не просто оставаться на плаву, но и идти впереди, одним из ключевых отличий, предлагаемых авиакомпаниями сегодня, является доступ к недавно выпущенным фильмам и сериалам, еще не доступным для широкой публики. Однако операторы США обычно не используют на борту воздушных лайнеров встроенные решения развлечений, поскольку они слишком дороги. Вместо этого в полете в качестве альтернативы пассажирам часто предоставляется Wi-Fi для подключения своих устройств к имеющимся на борту развлечениям. Тем не менее эта сфера (завершенные системы развлечений) заслуживает внимания. На сегодня общая рыночная база для таких систем, предназначенных для установки на пассажирские самолеты, совокупно составляет около 200 тыс. единиц оборудования в год.

Задача и проблемы ее решения

Заказчик хотел модернизировать свои решения, чтобы достичь более высокой пропускной способности и обеспечить пассажирам наилучшие впечатления от развлечений в полете. В то же время требовалось поддерживать конкурентоспособность, сокращая системные затраты, уменьшить расход потребляемой мощности и не добавлять лишний вес. Требования заказчика обобщены ниже:

• Большая пропускная способность сервера при сохранении веса и себестоимости системы.
• Масштабируемое решение с учетом будущих требований к пропускной способности.
• Решение с более длинным жизненным циклом продукта: время до морального старения оборудования собственной разработки 3–5 лет, причем последнее решение, которое использовал заказчик, имело ограниченные возможности по дополнительному наращиванию пропускной способности.

Решение

Для этого проекта был выбран модуль SOM-5992 COM Express Basic Type 7 (рис. 4а), отличающийся экономической эффективностью, возможностями настройки, низким энергопотреблением и наличием двух линий интерфейса 10 GbE. Без этого продукта клиенту, для того чтобы создать собственный дизайн модуля на процессоре Xeon-D, пришлось бы еще долго использовать морально устаревающее оборудование.

Кроме того, под требования заказчика была выполнена следующая доработка:

• Устранены некоторые коммутаторы Broadcom, использованные в предыдущем дизайне модуля. В результате это позволило сэкономить на затратах, снизить энергопотребление, общую занимаемую площадь и вес конечной системы.
• Для того чтобы соблюсти ограничения по размеру сервера, он был приведен в соответствие отраслевому стандарту ARINC 600, регламентирующему применение в авиационной бортовой аппаратуре.

Результат сотрудничества

Компания Advantech смогла предоставить отладочную плату в относительно короткие сроки. Исключение чипов Broadcom позволило сократить расходы клиента, сэкономив приблизительно $360 тыс. на годовом бюджете закупок. Кроме того, клиент высоко оценил сам COM-модуль следующего поколения. Основываясь на дорожной карте продукта, устройство увеличит пропускную способность и будет поддерживать разрешение до 8K. Выбор именно этого решения осуществлялся в соответствии с требованиями заказчика в отношении фильмов с более высоким разрешением и обеспечения музыки наилучшего качества