Verkon reunalla sekä sumussa (fog) ja pilvessä tarvitaan yhä enemmän laskentatehoa. Perinteiset palvelinratkaisut eivät takaa riittävän kestävää toimintaa kovassa teollisuusympäristössä. COM Express -moduuleihin perustuvat järjestelmät tarjoavat tehokkaan ratkaisun. Type 7 on uusin variantti, joka ensimmäistä kertaa vastaa sulautetun teholaskennan eli eHPC:n (embedded high performance computing) vaatimuksiin.

Toisin kuin monet liiketoiminta- ja IT-sovellukset, tuotantotehtäviä ei ole helppo ulkoistaa pilveen, vaikka se olisikin hyödyllistä yksinkertaistamisen, kustannussäästöjen ja ylläpitoetujen takia. Huolimatta modernista TSN-pohjaisten (time sensitive networks) verkkojen kaltaisesta infrasta kaapelin fyysinen pituus ja sen mukanaan tuoma latenssi usein sammuttaa alkuunsa toiveen viedä reaaliaikainen ohjaus pilveen. Useat yritykset eivät lisäksi halua tallentaa ja prosessoida tuotantodataansa ja tietotaitoaan yrityksen tilojen ulkopuolella.

Käytetyn ratkaisun tähän ongelmaan muodostavat reuna- ja sumulaskennan uudet lähestymistavat. Käytännössä tämä tarkoittaa pilven tuomista fyysisesti lähemmäksi tuotantoa tai verkon reunalla tapahtuvan laskennan vahvistamista esiprosessoinnilla. Tietenkin tähän tarkoitukseen on olemassa myös kestäviä teollisuusluokan yhdyskäytäviä, mutta niiden suorituskyky on rajallinen. Monissa tapauksissa on kustannustehokkainta ja palveluystävällisintä säilyttää riittävä laskentateho suoraan saitilla. Tärkeä tekijä kustannustehokkuuden kannalta on laaja skaalautuvuus, sillä korkean tason käytettävyyttä ja luotettavuutta teollisuussovelluksissa yleisesti vaaditaan joka tapauksessa. Näitä ominaisuuksia on pitkään opittu arvostamaan standardoiduissa korttimoduuleissa eli COM-moduuleissa. Mikä olisi siis parempaa kuin oman, skaalautuvan laskenta-alustan rakentaminen käytössä tehokkaaksi todettujen modulaaristen ratkaisujen varaan? Tällä tavoin järjestelmä saataisiin sopimaan tämän päivän vaatimuksiin juuri nyt mahdollisuudella päivittää se myöhemmin.

MIKÄ MODUULI, MIKÄ VALMISTAJA?

Yksi suurin COM-moduulin käytöstä tulevia etuja on ennalta integroidun alustan hyöty. Asiakas voi täysin keskittyä oman sovelluksensa ohjelmiston kehitykseen. Tähänhän ratkaisun ja yrityksen todellinen ydinosaaminen sekä sen tuottama lisäarvo perustuu. Ideaalitilanteessa moduulin toimittajalta tulee kantakortti (carrier board), joka jo valmiiksi sisältää kaikki vaadittavat liitännät. Mikäli joitakin erikoistoimintoja puuttuu – teollisuudessa tämä liittyy yleensä kenttäväyläliitäntöihin – säästää paljon aikaa ja vaivaa, mikäli pääsee hyödyntämään moduulitoimittajan osaamista näissä toiminnoissa. Järjestelmäintegraattori pääsee hyödyntämään moduulitoimittajan olemassa olevaa IP:tä ja resursseja helposti.

Lisäresursseja voidaan säästää ja kehitysaikaa entisestään lyhentää. Tämä pätee erityisesti elementteihin, joita vaativat erityisosaamista ja -kokemusta, kuten kaikki turvallisuuskriittiset toiminnot. On erityisen tärkeää, että moduulitoimittaja käyttää komponentteja ja teknologioita, jotka ovat jo osoittaneet arvonsa käytössä. Ihanteellisia ovat standardoidut, alustariippumattomat konseptit, jotka johtavat ajan ja kustannusten säästöön.

Parhailla valmistajilla pitäisi olla vuosien kokemus standardimoduulien valmistamisesta, mutta myös pitkä lista asiakkaita ja kokemusta kustakin sovelluksesta. Laajin skaalautuvuus maksimitehonkulutuksella (ja siten maksimisuorituskyvyllä) tulee tällä hetkellä PICMG:n COM Express -standardiin pohjautuvista moduuleista. Esimerkiksi Basic-koko, jossa mitat ovat vain 95 x 125 milliä, voi käyttää ilman ongelmia prosessoreita, joiden lämpötehobudjetti on 50 wattia ja enemmän. Nopeasti kasvava tarve suuremmalla laskentateholle ja verkkosuorituskyvylle modulaarisissa ja sulautetuissa tuotteissa on saanut PICMG:n määrittelemään ihanteellisen määrityksen juuri tähän tarkoitukseen uusimmassa COM Express -standardissa. Määritys johdettiin COM Express -standardin Type 6:sta, joka tällä hetkellä dominoi sulautettujen laitteiden markkinaa. Liittimen signaalien osittaisessa uudelleenjärjestelyssä grafiikkasignaalit jätettiin pois ja ne korvattiin neljällä 10Gbit-liitännällä, jotta voitiin tukea useampia ja nopeampia ulkoisia Ethernet-liitäntöjä. Lisäksi standardiin lisättiin kahdeksan PCI Express -linjaa kaistanleveyden kasvattamiseksi.

Lisäetua COM Express -pohjaisesta suunnittelusta tulee siitä, että moduuleja voidaan käyttää paitsi mezzanine-lisäkortteina myös täydellisinä yhden kortin tietokoneina (SBC, single board computer). Tämä tekee multimoduulijärjestelmien rakentamisesta erityisen helppoa. Lämpösuunnittelusta riippuen voidaan yhteen 19-tuumaiseen yksikköön liittää jopa yhdeksän Type-7-moduulia ja siten jopa 144 prosessoriytimen laskentateho.

TÄYDELLINEN RATKAISU: KONTRONIN
COM EXPRESS TYPE 7 -MODUULI

Kontron on COM-standardien kehittäjänä ja pitkäikäisenä PICMG-jäsenenä näytellyt isoa osaa uuden Type 7 -standardin kehityksessä. Yhtiö tarjoaa paitsi COM-moduuleja ja standardoituja kantakortteja myös asiakaskohtaista kantakorttien kehitystä.

Pitkä kokemus eri standardeihin perustuvien sulautettujen järjestelmien toimittajana mahdollistaa niin laitteiston kuin ohjelmiston huippulaadun sekä kilpailukykyisen hinnoittelun näihin liittyvien synergiaetuja ansiosta. Avainominaisuudet kuten APPROTECT-tietuturvakehys tai saumattomasti integroitu ja optiona tarjottava IPMI-yhteensopiva BMC-ohjain (Baseboard Management Controller) ovat tarjolla monille Kontron-alustoille, mikä yksinkertaistaa tuotteiden ylläpitoa.

Tämä mahdollistaa laajan skaalaamisen ja sovellusten läpinäkyvyyden jopa moduulien ja sulautetun alueen ulkopuolella. Päivityksiä voidaan tehdä yksinkertaisilla moduulien vaihdoilla ja monimutkaiset kenttäväylä- ja anturiliitännät sekä kantakortin erilliset konetoteutukset voidaan hyödyntää useiden CPU-sukupolvien yli.

Vaikka COM Express -standardi on alusta asti suunniteltu toimimaan kovissa teollisuusolosuhteissa, Kontronin pitkä kokemus erityisesti kovaa käyttöä kestävien rugged-tietokonelaitteiden kanssa tuo asiakkaalle lisäetuja. Pitkälle viety vertikaalinen integrointi pitää sisällään tuotannon talon sisällä ja pitkän pilvi- ja IT-kokemuksen emoyhtiö S&T:n kautta, mikä tuo pitkäikäisyyttä ja kestävyyttä myös Kontronin sulautetuille tuotteille.

Lisäetu kaikenlaisissa pilvi- ja pilvisuuntautuneissa sovelluksessa on skaalautuvuus Kontronin uusiin sulautettuihin palvelimiin ja emoyhtiö S&T:n pitkä kokemus pilvi- ja IT-tekniikoista. Kellään kilpailijoilla ei ole tällä hetkellä tarjota yhtä skaalautuvia ja kattavia ratkaisuja.

Kontron COME-bBD7 eHPC -moduulit voidaan varustaa monilla suosituilla mikroprosessoreilla Intelin Xeon-prosessorien D-1500-perheestä. Niissä voi olla 2-16 suoritinydintä, lämpöbudjetti voi vaihdella 25-45 watin välillä ja kellotaajuus voi yltää aina 2,2 gigahertsiin asti. Lisäksi tarjolla on variantteja laajennetulle -40…+85 asteen lämpötila-alueelle. Molemmat DDR4 SODIMM -paikat ovat kaksikanavaisia ja ECC-kykyisiä ja ne tukevat muistia aina 32 gigatavuun asti.

Tavallisten sulautettujen toimintojen kuten SPI-, LPC-, SMB-, Fast I²C-väylien sekä reaaliaikakellon ja vaiheistetun vahtikoiran (watchdog) lisäksi moduuleilta löytyy standardina 2 sarjaliitäntää, 4x USB 3.0 / 2.0 -liitäntää ja kaksi 6 gigabittiä sekunnissa siirtävää SATA3-liitäntää. Sekä piirille integroidut 10GbE-liitännät että Intelin I210IT 10/100/1000 megabitin Ethernet-ohjain voidaan liittää ulkoiseen kantakortilla olevaan korttitietokoneeseen NC-SI-liitännän (Network Connect Sideband Interface) kautta. Tämä ulkoinen BMC mahdollistaa COMe-bBD7 -moduulin monitoroinnin ja tukee etähallintaa sekä ennaltaehkäisevän ylläpidon toimenpiteitä. COMe Evaluation Carrier T7 Board -kortti on vastikään kehitetty erityisesti COMe-bBD7:n tarpeisiin. Se on ATX-kokoinen (305 x 244 milliä) ja muodostaa valmiin palvelimen kehitysalustan yhdessä moduulin kanssa. Kortin liitäntävalikoima on erittäin laaja: 4x 10GbE -liitäntää, 32 PCIe-linjaa, 4x USB3.0, 2x SATA3, 2x RS232, GPIO, sekä optionaalinen IPMI 2.0 -yhteensopiva BMC-ohjain, joka tukee KVM-tekniikkaa sovitinkortin avulla. Kontron tarjoaa evaluointikortin täyden dokumentaation nopeaa kantakortin kehitystä varten.

Lisäksi Kontron tarjoaa kokeneiden suunnittelijoidensa suunnittelutukea sitä tarvitseville. Tämän avulla kehitykseen kuluvaa aikaa on mahdollista edelleen merkittävästi lyhentää. Jos on tarpeen, eHPC-moduulia itseään voidaan muokata, jotta päästään asiakkaan vaatimiin vaatimuksiin. Pitkään markkinoita ja tekniikan kehitystä hallinneena yrityksenä Kontronilla on sekä osaaminen että kapasiteetti tarjota suunnittelupalveluja.

TIETOTURVALLA ON VÄLIÄ!

Jokaisella COMe-bBD7 -moduulilla on oletuksena Kontron APPROTECT, joka on kattava alustariippumaton tietoturva. Se koostuu laitteistosta ja ohjelmistokomponenteista, jotka voidaan aktivoida ostamisen jälkeen oman ohjelmistoinvestoinnin suojaamiseksi. Se sisältää moduulit kopioinnin suojaamiseen, IP-suojaamiseen (lisensointiin), suojan käänteistä suunnittelua vastaan ja tietojen muokkaamista vastaan. Tekniikka mahdollistaa kattavan lisenssien hallinnan ja aivan uudet lisensointi- ja liiketoimintamallit, kuten laskuttamisen käyttöaikaa vastaan ja joidenkin toimintojen testausajanjaksot. APPROTECT voidaan myös jälkikäteen sovittaa vanhempiin legacy-järjestelmiin. Alustan integroitu TPM 2.0 -moduuli (Trusted Platform Module) takaa korkeimman mahdollisen tietoturvan.

Tämän päivän APPROTECTin skaalautuvuus on laajin integroitujen turvaratkaisujen markkinoilla. Tuki yltää heikosti resursoiduista yhden ytimen nanojärjestelmistä suriin moniytimisiin palvelinmoduuleihin. Kaiken tarvittavan saa yhdestä lähteestä! Kontronin valmis ratkaisu mahdollistaa korkeimman tason turvan asiakkaan datalle ja ohjelmille pienimmällä toteutusvaivalla.

ENTÄPÄ TULEVAISUUS?

Tulevaisuus kuuluu Big Datalle ja yhä enemmän dataa pitää pystyä luotettavasti tallentamaan ja prosessoimaan fyysisesti lähempänä konetta ja pilveä. Liitännät antureihin ja aktuaattoreihin ovat pääosin vakaata teknologiaa ja vain laskentavaatimukset kasvavat suhteettomasti.

Tämän takia sulautetut ratkaisut vaihdettavilla tietokonemoduuleilla tarjoavat lyömättömän hinta/suorituskykysuhteen ja taatun tulevaisuuden. Kestävät eli robustit suunnittelut mahdollistavat turvallisen käytön tuotantoympäristössä. Mahdollisuus ulkoistaa ohjaustoiminnallisuus reaaliaikaisille sulautetuille tehotietokoneille (eHCP) ja niiden fyysinen läheisuus tuotantolaitteisiin johtavat lisäkustannussäästöihin ilman, että tarvitsee tinkiä turvallisuudesta tai toiminnallisuudesta.

Artikkelin voi lukea myös ETNdigi-lehden numerosta 1/2018.