El edge es modular

Los diseños de servidores edge industriales deben ser altamente flexibles para integrar la capacidad de realizar diversas tareas. Cada vez más, las máquinas virtuales se utilizan para consolidar una variedad de cargas de trabajo de la Industria 4.0. Además, los módulos COM (Computer-on-Modules) ofrecen la flexibilidad de escalar la potencia de cálculo para adaptarse a la aplicación, permitiendo el equilibrio de precio y rendimiento específico de la aplicación junto con el equilibrio de la carga.

La consolidación de la carga de trabajo, que en el pasado se reservaba principalmente a la virtualización de servidores de centros de datos, hace tiempo que ha dejado de estar destinada a armarios de servidores bien acondicionados. La demanda también está aumentando ahora en el duro edge industrial: Los fabricantes de máquinas y sistemas, así como los usuarios industriales finales quieren virtualizar sus aplicaciones de la Industria 4.0 en servidores locales.

Al mismo tiempo, también quieren consolidar los diversos controles distribuidos a través de una celda de fabricación en estos servidores edge en lugar de asignar las tareas de control a múltiples sistemas dedicados. Este enfoque permite utilizar mejor el rendimiento del cálculo combinado, lo que en última instancia ahorra costes.

Además de los costes del sistema, también se reducen los esfuerzos de mantenimiento y gestión. Además, la consolidación de la carga de trabajo en servidores edge y fog diseñados de forma redundante también ayuda a aumentar la fiabilidad y la seguridad ante fallos. Esto se debe a que con múltiples sistemas distribuidos, hay una mayor probabilidad de que un eslabón de la cadena, y por lo tanto toda la cadena, falle.

Para poder desarrollar servidores edge y fog extremadamente heterogéneos y específicos para cada aplicación, los fabricantes de equipos originales necesitan un potente hipervisor en tiempo real, así como una plataforma multinúcleo adecuada para cada aplicación. Dado que no suele importar en qué plataforma de servidor funciona el hipervisor, un diseño de hardware modular es el primer paso para permitir el equilibrio de precio y rendimiento específico de la aplicación, además del equilibrio de la carga. Este enfoque de hardware modular ya se puede encontrar en numerosos sistemas edge, desde las más pequeñas pasarelas de comunicación (gateways) hasta los grandes servidores industriales.

Pasarela LPWAN para LoRa

Un buen ejemplo del segmento de baja potencia es la pasarela de comunicación LoRa de Expemb. Diseñada para ser usada en una amplia variedad de entornos de LoRa, debe permitir la implementación de una variedad igualmente amplia de lógica edge. Por ejemplo, en entornos de fábrica, LoRa se utiliza para conectar sensores inteligentes autónomos de IoT o para rastrear los portadores de carga con el fin de supervisar y optimizar el flujo interno de mercancías.

Dado que la pasarela integra módulos COM -en este caso, módulos Qseven con procesadores Intel Atom- ofrece una configuración de hardware flexible que puede personalizarse fácilmente tanto en el lado del hardware como en el del software para satisfacer los requisitos técnicos más heterogéneos de las aplicaciones de IoT basadas en LoRa. Además del balanceo de carga, esto hace posible el balanceo de precio y rendimiento específico de la aplicación.

Servidores edge para redes inteligentes

También se requiere una gran flexibilidad para los servidores edge tipo box PC. China, por ejemplo, está actualmente desplegando una capa edge para un sistema de gestión de redes inteligentes distribuidas en cooperación con el socio de IoT de Tencent para el mercado de energía. Un diseño de servidor edge de este tipo debe ser capaz de gestionar los generadores de energía distribuidos y los consumidores en fábricas y parques industriales, y como la base instalada es siempre heterogénea, el diseño del hardware también debe ser modular.

En este caso, se utiliza el módulo COM Express Tipo 7. Los primeros sistemas integran módulos con procesadores Intel® Xeon® D15xx de hasta 16 núcleos y 32 hilos. Las configuraciones alternativas se basan en los procesadores Intel® Atom® C3xxx. Con hasta 16 núcleos, estos procesadores son ideales para todas las instalaciones en las que se deban consolidar diversas cargas de trabajo. Evidentemente, el hecho de que el sistema utilice un procesador Xeon o Atom marca una diferencia significativa tanto en términos de consumo de energía como de coste.

Servidores de bastidor modular para entornos adversos

Por supuesto, también es posible construir diseños de servidores de bastidor modulares mucho más potentes que utilizan modelos COM estandarizados para reducir los costes de inversión en el control de sistemas robóticos, celdas de producción, así como embalajes complejos y herramientas mecánicas. Un ejemplo de esos diseños modulares son los servidores de proveedores como Christmann, que ha integrado con éxito los módulos servidor COM Express Type 7 (Server-on-Modules) y ya está planificando diseños basados en el nuevo estándar de módulos COM-HPC.

Además de proporcionar la base de diseño perfecta para una tarea específica, lo que habla a favor de estos servidores es la alta escalabilidad que permite actualizaciones de rendimiento para futuras necesidades: La segunda generación de servidores, que sin duda será necesaria después de tres a cinco años debido a los rápidos avances tecnológicos, se espera que cueste sólo aproximadamente la mitad de la inversión inicial. Esto se debe a que en la mayoría de los casos lo único que habrá que sustituir es el módulo del procesador.

Para aprovechar al máximo los importantes ahorros de TCO que esto produce, los servidores de montaje en bastidor de Christmann pueden equiparse de forma flexible con hasta 27 microservidores de CPU. Estos tres ejemplos ilustran las enormes ventajas que ofrecen los módulos COM (Computer-on-Modules) y servidor (Server-on-Modules) para las pasarelas de comunicacíon edge y los servidores edge.

Kit de consolidación de la carga de trabajo en tiempo real

Pero sin el apoyo del hipervisor en tiempo real, esto es sólo la mitad de la solución. También es necesario proporcionar soporte de software apropiado para el hardware. Para ello, congatec ha cooperado con Intel y Real-Time Systems para desarrollar un kit RFP (listo para producción) certificado por Intel para la consolidación de la carga de trabajo. El kit, certificado por Intel desde marzo de 2020, está dirigido a la próxima generación de robótica colaborativa basada en imágenes, controladores de automatización y vehículos autónomos que necesitan realizar múltiples tareas en paralelo, incluyendo la conciencia situacional usando algoritmos de IA basados en "deep learning" (aprendizaje profundo).

La plataforma lista para la solución se basa en un módulo COM Express Tipo 6 con procesador Intel® Xeon® E2 e integra tres máquinas virtuales preconfiguradas para demostrar que es posible ejecutar aplicaciones en tiempo real en una máquina virtual incluso mientras se reinicia otra aplicación del sistema. Pero para garantizar que la plataforma sea realmente a prueba de futuro y pueda soportar la consolidación de la carga de trabajo de la manera más eficiente, también proporciona todos los fundamentos necesarios para una conectividad flexible a través de diseños de placas base específicas para cada cliente.

Soporte a redes sensibles al tiempo (TSN) incluido

Con este fin, el equipo admite la conexión en redes sensibles al tiempo (TSN), que se está volviendo esencial para el procesamiento en tiempo real en entornos táctiles de Internet con la aparición de las tecnologías 5G y las redes de 10+ GbE en la fábrica. La tecnología TSN comprende una serie de normas, como la IEEE 802.1q para las redes LAN virtuales por Ethernet, TAS (Time Aware Shaping) como estándar en IEEE 802.1Qbv para garantizar una latencia mínima de transmisión, o la sincronización en tiempo real mediante el Protocolo de Tiempo de Precisión (PTP) definido en la IEEE 1588. El PTP se encarga de la sincronización temporal entre los nodos. Un maestro establece el tiempo. Los esclavos individuales sincronizan sus relojes con una precisión de nanosegundos de dos dígitos.

Basándose en estos relojes sincronizados, los paquetes pueden ser autorizados y enviados. Esto significa que las redes PTP pueden sincronizarse con una precisión de dos dígitos de nanosegundos, por lo que el tiempo de traslado de los paquetes IP naturalmente también impacta en el comportamiento final en tiempo real de la aplicación. En el caso de la interfaz Intel Ethernet I219, la sincronización del reloj se basa al 100% en este componente estándar. Esto le da la doble ventaja de estar incluido en hardware y no requerir ninguna aplicación propietaria adicional o hardware dedicado. El kit de inicio de consolidación de carga de trabajo en tiempo real puede ser solicitado a congatec o a través del Intel Marketplace.