Processeurs Intel Xeon D dans les Server-on-Modules COM-HPC : liberté illimitée pour les serveurs edge

L’intégration des processeurs Intel Xeon D dans les Server-on-Modules COM-HPC par des fabricants comme Congatec permet aux installations de serveurs edge de s’affranchir des fortes contraintes thermiques des salles de serveurs climatisées. Pour la première fois, ils peuvent être installés partout où un débit massif de données avec les plus faibles latences possibles est requis – jusqu’au temps réel déterministe.

Par Andreas Bergbauer, responsable de la ligne de produits processeurs Intel Xeon-D chez Congatec, article adapté par Pascal Coutance

Les serveurs edge traitent les données à la périphérie des réseaux de communication plutôt que dans des clouds centraux. Cela permet d’interagir avec toutes sortes de clients sans délai ou en temps réel, mais les fabricants de technologies serveurs, réseaux et de stockage font face à des défis majeurs. Jusqu’à présent, ils avaient l’habitude de développer des baies standardisées pour leurs systèmes, avec des concepts de ventilation active et une technologie de climatisation puissante pour contrôler la gestion thermique des baies et la climatisation des salles de serveurs. Cependant, une telle approche n’est souvent plus adaptée aux serveurs edge d’aujourd’hui.

L’American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, ou ASHRAE en abrégé, a examiné en détail la question de savoir comment assurer au mieux les performances des serveurs edge dans des environnements difficiles. Ainsi, du point de vue des entreprises de chauffage, de refroidissement, de ventilation et de climatisation, il existe déjà des recommandations quant à la conception de data centers edge avec une climatisation haute performance et la meilleure isolation possible pour les protéger de la chaleur et du froid.

Libérer les serveurs edge du carcan de la climatisation

Toutefois, l’ASHRAE propose une variation de températures maximale possible de 20 °C en une heure et de 5 °C en 15 minutes pour les data centers edge. Cela nécessite une climatisation complexe qui est donc très difficile à mettre en œuvre. Et ce n’est pas tout : le respect de ces directives est presque impossible, surtout lors des travaux de maintenance dans les data centers edge, qui sont plus petits qu’une cabine téléphonique, car ils doivent être ouverts pour effectuer la maintenance à n’importe quelle température ambiante. Il n’est tout simplement pas possible de se glisser dans ces systèmes via une chambre climatique et de refermer rapidement la porte avant d’effectuer les travaux de maintenance dans la salle du serveur edge entièrement climatisée.

Les serveurs edge et les data centers fonctionnant en environnements difficiles ont donc besoin de systèmes capables de faire face à des variations de températures plus importantes et à une plage beaucoup plus large que les 0°C à +40 °C courants en informatique. Dans les environnements industriels, les systèmes embarqués peuvent être exposés à des températures ambiantes allant d’un froid polaire de -40°C à une chaleur brûlante de +85°C. Chaque composant doit donc être renforcé ou durci.

Les conceptions robustes réduisent les coûts de climatisation

Le point le plus névralgique dans la conception des serveurs edge, de réseaux et de stockage est le choix de la technologie de processeur. La décision qui découle de ce choix est de savoir s’il faut suivre les recommandations de l’ASHRAE et investir massivement dans une technologie de climatisation et l’isolation, ce qui entraîne des coûts d’investissement et d’exploitation élevés pour l’énergie secondaire, ou s’il faut développer des systèmes qui n’ont pas besoin de tout cela parce qu’ils fonctionnent de manière fiable même à des températures extrêmes et peuvent donc être mis en œuvre dans des environnements difficiles à un coût beaucoup plus faible – des installations d’usine aux communications extérieures, à la vidéosurveillance et à d’autres équipements d’infrastructures critiques, en passant par les serveurs des systèmes mobiles (trains et avions, voire navettes autopilotées des villes intelligentes).

Grâce aux nouveaux processeurs Intel Xeon D, il existe désormais une technologie serveur très puissante et qualifiée pour fonctionner dans des plages de températures extrêmes allant de -40°C à +85°C. Même la conception de serveurs ultra-performants n’est plus limitée par les restrictions thermiques des salles de serveurs climatisées. En fin de compte, ils peuvent être déployés partout où un débit massif de données sans latence est nécessaire à la périphérie de l’Internet des Objets et dans les usines de l’Industrie 4.0.

Exigences élevées en matière de conception de systèmes

Cependant, un processeur serveur à lui seul ne fait pas un serveur edge robuste. Répondre aux exigences de conception du système pour les environnements difficiles requiert également un savoir-faire plus large. Chaque composant utilisé doit être qualifié pour cet environnement et des exigences particulières s’appliquent également à la carte de circuit imprimé et à la conception de la carte. Par exemple, des revêtements spéciaux qui protègent contre l’eau de condensation et d’autres influences environnementales ou un niveau élevé de protection contre les signaux électromagnétiques et haute fréquence étrangers qui pourraient entraver les performances de l’appareil.

Les développeurs de technologies informatiques embarquées tels que Congatec cumulent des décennies d’expérience dans la conception de ces systèmes. Ils intègrent depuis longtemps des technologies PC standard, telles que les processeurs Intel Core, dans des systèmes embarqués d’une manière qui convient à une utilisation industrielle. Ils connaissent parfaitement les exigences et les normes de certification d’un large éventail d’industries ; et ils savent concevoir leurs systèmes pour une disponibilité à long terme afin de répondre aux exigences de l’industrie et sont en mesure de fournir des solutions OEM avec des configurations de cartes identiques pendant 7, 10 ou 15 ans. Ils savent également que les applications industrielles diffèrent considérablement des conceptions de systèmes standard pour l’environnement de bureau, car les applications industrielles nécessitent toujours un degré de personnalisation plus ou moins élevé, ce qui fait des conceptions modulaires qui déploient des Computer-on-Modules le moyen idéal de développer des cartes. Ils ont également appris que la normalisation est essentielle, c’est pourquoi ils ont contribué à la création de normes mondialement reconnues pour ces modules.

Atteindre plus rapidement l’objectif grâce aux normes

Avec la mise en place de la nouvelle spécification COM-HPC Server et le lancement des processeurs Intel Xeon D, cette expérience a maintenant été transposée à la conception de serveurs edge industriels. Pour la première fois, les développeurs ont accès à de vrais produits. L’avantage de ces nouveaux Server-on-Modules COM HPC standardisés est que les développeurs peuvent les intégrer dans leurs cartes porteuses personnalisées en tant que logique informatique embarquée prête pour l’application. Cela signifie qu’ils n’ont pas à se préoccuper des questions de base liées à la technologie processeur, mais uniquement du positionnement des composants de la carte en fonction de l’application et de l’exécution des interfaces au bon endroit sur la carte porteuse.

À cette fin, le comité de normalisation PICMG a récemment publié le COM-HPC Carrier Design Guide. Ce guide fournit des directives essentielles pour la création de plates-formes informatiques embarquées interopérables et évolutives, adaptées aux besoins des clients et basées sur la nouvelle norme, et permet aux développeurs de comprendre facilement la logique qui sous-tend la norme.

Savoir, c’est pouvoir

Pour permettre aux développeurs de se plonger rapidement, facilement et efficacement dans les nouvelles règles de conception, Congatec a ouvert une académie de formation en ligne et sur site pour les conceptions COM-HPC Server et Client. Guidés par un expert, les développeurs peuvent entrer dans le nouveau monde des conceptions embarquées et edge haut de gamme basées sur la nouvelle norme Computer-on-Module.

Le programme de formation couvre toutes les bases de conception obligatoires et recommandées ainsi que les schémas des meilleures pratiques des cartes porteuses COM-HPC et des accessoires tels que les solutions de refroidissement sans ventilateur haut de gamme pour la conception de serveurs jusqu’à 100 watts ou plus. Les cartes porteuses d’évaluation riches en fonctionnalités des modules COM-HPC Server servent de plate-forme de référence pour apprendre à mettre en œuvre les processeurs Intel Xeon D. Elles tirent parti de l’ensemble des fonctionnalités des modules COM-HPC Server. Elles exploitent l’ensemble des fonctionnalités de la norme et les développeurs peuvent les utiliser comme plateformes pour le développement d’autres applications.

L’académie Congatec a pour objectif de former les développeurs à toutes les bases fondamentales de conception COM-HPC – des principes de la couche PCB, règles de gestion de l’énergie et exigences d’intégrité du signal à la sélection des composants. Les sessions axées sur les interfaces de communication fournissent des conseils sur la manière d’éviter les pièges dans la conception difficile des communications série à haut débit : de PCIe Gen 4 et 5 à USB 3.2 Gen 2 et USB 4 avec Thunderbolt sur USB-C à 100 Gigabit Ethernet, en passant par la gestion des signaux de bande latérale pour les interfaces KR 10G / 25G / 40G / 100G Ethernet qui, dans COM-HPC, doivent être désérialisés sur la carte porteuse. Au cours de ces sessions, on explique également comment les meilleures pratiques de conception utilisent les normes d’interface telles que eSPI, I²C et GPIOs.

Une introduction à la mise en œuvre de micrologiciels x86 – allant du BIOS intégré aux fonctions du contrôleur de gestion de carte et du contrôleur de gestion de module – complète la formation à la conception. Enfin, des sessions sur les stratégies de vérification et de test permettent de relever tous les défis, de la vérification initiale de la conception des cartes porteuses aux tests de production en série.

Avec un programme de formation aussi complet, l’académie Congatec a pour objectif de faciliter la conception de serveurs edge robustes. Il va sans dire que l’entreprise peut également fournir aux clients OEM intéressés des conceptions de systèmes complets qui tirent parti de ses nouveaux modules COM-HPC Server et de son vaste réseau de partenaires.

Accélérer les charges de travail des serveurs edge

Toutefois, les nouveaux Server-on-Modules COM-HPC Taille E et Taille D équipés de processeurs Intel Xeon D sur socket BGA (nom de code Ice Lake D) ne se contentent pas de prendre en charge la plage de températures étendue de -40°C à +85 °C. Ils éliminent également bon nombre des goulots d’étranglement antérieurs causés par les restrictions des serveurs edge et accéléreront considérablement la prochaine génération de charges de travail micro-serveur en temps réel dans des environnements difficiles et des plages de température étendues.

Les améliorations comprennent jusqu’à 20 cœurs, jusqu’à 1 To de mémoire sur jusqu’à 8 sockets Dram à 2933MT/s, jusqu’à 47 voies PCIe par module au total et 32 voies PCIe Gen 4 avec double débit par voie, et jusqu’à 100 GbE de connectivité et de support TCC/TSN avec une consommation d’énergie optimisée grâce à la fabrication en 10 nm. Les serveurs de stockage vidéo et d’analyse bénéficient également de la prise en charge intégrée d’Intel AVX-512, VNNI et OpenVINO pour l’analyse de données basée sur l’IA.

Etape importante pour la conception de serveurs edge en temps réel

En fait, le lancement des Server-on-Modules COM-HPC basés sur Ice Lake D définit une triple étape : premièrement, parce que la prise en charge de la plage de température étendue signifie que les Server-on-Modules Intel Xeon D ne sont plus limités aux applications industrielles standard, mais visent également les environnements extérieurs et automobiles. Deuxièmement, les premiers Server-on-Modules COM-HPC au monde font passer pour la première fois le nombre de cœurs disponibles à 20 ; avec jusqu’à 8 sockets Dram, ils offrent une bande passante mémoire nettement supérieure à celle des Server-on-Modules basés sur d’autres spécifications PICMG. Troisièmement, ces nouveaux modules serveur peuvent fonctionner en temps réel, tant en cœurs de processeur qu’en Ethernet en temps réel compatible TCC/TSN, ce qui est essentiel pour les projets IIoT et Industrie 4.0 numérisés.

Pour pouvoir mettre en œuvre des services d’équilibrage et de consolidation serveurs pour les installations de serveurs edge en temps réel déterministes, où diverses applications en temps réel fonctionnent indépendamment les unes des autres sur un seul serveur edge, les plateformes qui prennent en charge les machines virtuelles compatibles avec le temps réel, comme le fait par exemple l’hyperviseur RTS de Real-Time Systems, vous sont utiles. Cela permet aux usines de l’Industrie 4.0 d’héberger des applications hétérogènes en temps réel sur une seule plateforme serveur à la périphérie de leurs réseaux 5G privés et d’allouer des ressources système exclusives aux différents processus.

Les Server-on-Modules de Congatec sont préqualifiés pour de tels services. Les installations personnalisées avec tous les paramétrages nécessaires peuvent être intégrées dans les services standard que propose Congatec pour les nouveaux modules COM-HPC.

Ces modules séduisent également par un ensemble complet de fonctionnalités de niveau serveur : pour les conceptions critiques, ils offrent de puissantes fonctions de sécurité matérielle telles que Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption – Multi-Tenant (Intel TME-MT) et Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Pour des capacités RAS optimales, les modules processeurs intègrent le moteur de gestion Intel ME et prennent en charge des fonctions de gestion matérielle à distance telles que IPMI et redfish. En fait, il existe une autre spécification PICMG qui assure l’interopérabilité de ces implémentations et le programme de formation de l’académie Congatec couvre également cet aspect.

Options Server-on-Module pour Intel Xeon D

Les nouveaux modules se présenteront en variants HCC (High Core Count) et LCC (Low Core Count) avec différents processeurs de la série Intel Xeon D. Les modules conga-HPC/sILH COM-HPC Server Taille E seront disponibles avec 5 processeurs Intel Xeon D 27xx HCC différents avec un choix de 4 à 20 cœurs, 8 emplacements DIMM pour jusqu’à 1 To de mémoire DDR4 rapide à 2933 MT/s avec ECC, PCIe Gen 4 32x et PCIe Gen 3 16x, ainsi qu’un débit de 100 GbE plus un Ethernet 2,5 Gbits/s capable de fonctionner en temps réel avec un support TSN et TCC pour un PBP (Processor Base Power) de 65 à 118 watts.

Les modules COM-HPC Server Taille D et COM Express Type 7 seront équipés de 5 processeurs Intel Xeon D 17xx LCC différents avec un choix de 4 à 10 cœurs. Alors que le Server-on-Module conga-B7Xl COM Express prend en charge jusqu’à 128 Go de Ram DDR4 à 2 666 MT/s via jusqu’à 3 emplacements SODIMM, le module conga HPC/SILL COM-HPC Server Taille D offre 4 emplacements DIMM pour jusqu’à 256 Go de Ram DDR4 rapide à 2 933 MT/s ou 128 Go avec Ram UDIMM ECC. Les deux familles de modules offrent des voies PCIe Gen 4 16x et PCIe Gen 3 16x. Pour une mise en réseau rapide, elles offrent un débit allant jusqu’à 50 GbE et un support TSN/TCC via Ethernet 2,5 Gbit/s à un PBP (Processor Base Power) de 40 à 67 watts.

Les modules peuvent être précommandés dès maintenant et des échantillons d’évaluation prêts à l’emploi – avec des solutions de refroidissement robustes correspondant au TDP du processeur – sont disponibles immédiatement. Les solutions de refroidissement vont du puissant refroidissement actif avec adaptateur de caloduc aux solutions de refroidissement entièrement passives pour une meilleure résistance mécanique aux vibrations et aux chocs. Ces dernières atténuent également le stress thermique dans les applications qui doivent supporter de courtes périodes de variations extrêmes de température. Sur le plan logiciel, les nouveaux modules sont livrés avec des BSP complets pour Windows, Linux et VxWorks, ainsi que la technologie d’hyperviseur RTS.