Realtidskapabla 5G-celler med integrerade randservrar utgör en nyckelteknologi för att möjliggöra en digital transformation som öppnar upp för en hel mängd nya möjligheter för applikationer inom IIoT, Industry 4.0 och kritiska infrastrukturer.
Men för att klara av att bearbeta data i realtid och med låg latens i svåra fabriks- och utomhusmiljöer behöver sådana lösningar vara speciellt härdade. Därför lanseras nu på den industriella marknaden världens första COM-HPC-Server-on-Modules som har konstruerats för användning utanför luftkonditionerade datacentraler.
Industrial Internet of Things (IIoT) kopplar samman den fysiska världen av tillverkning och varulogistik med digitaliserade processer för arbetsplanering, fabriksövervakning, kvalitetskontroll och förebyggande underhåll. I detta sammanhang spelar IIoT rollen som nervsystemet för digitalisering. Det nätverkskopplar produktionsanläggningar och -processer, samlar in sensorbaserade, detaljerade data och utför analys i realtid. På så vis öppnar det upp för nya applikationer som gör produktionsprocessen mer flexibel, snabbare och mer effektiv.
Robotar och produktionsceller kommunicerar med varandra helt automatiserat, och med hjälp av en ”digital tvilling” – en virtuell bild av de fysiska tillgångarna i den verkliga fabriken – kan produktionsläge, utnyttjandegrad och kostnader kontrolleras och övervakas i realtid. Självkörande gaffeltruckar och intelligenta sorteringsrobotar ingår i ett intelligent system för varulogistik som ser till att nödvändigt material finns på rätt plats vid rätt tillfälle. Med hjälp av Augmented Reality får de anställda instruktioner och information om när vilka varor skall bearbetas i vilka kvantiteter och i vilka maskiner, liksom vilka maskiner som behöver reservdelar.
5G revolutionerar industriell kommunikation
Att frekvensbandet 3,7 till 3,8 GHz öppnats upp för privata mobilnät betyder att 5G nu kan användas och privat opereras av en mängd olika enskilda nätverk i Industry 4.0-miljöer och i kritiska infrastrukturer inom många andra industrier. Skalbarheten hos dessa privata infrastrukturer, och kompatibiliteten hos 5G med tidigare kommunikationsstandarder som också kan förväntas gälla även för framtida generationer, ger hög säkerhet för investerare. Allt fler företag öppnar därför egna privata, lokala 5G-nät för att köra affärskritiska applikationer på, och för att digitalisera produktionen. Detta är en trend som förväntas intensifieras under de kommande åren, enligt en studie som nyligen utförts av MarketsandMarkets.
Naturligtvis kan företagen också använda publika nät. Men på landsbygden, där de publika basstationerna (även kallade makrocellerna) använder 700 MHz-bandet för att uppnå räckvidder på 15 till 20 km, är datahastigheten begränsad till 100 – 200 Mbit/s. Även om detta räcker för att en stor bilfabrik skulle kunna täcka in ett helt fabriksområde – som i fallet VW i Wolfsburg handlar om mer än 6 kvadratkilometer – med en enda 5G-cell, så räcker den tillgängliga bandbredden inte till för en helt uppkopplad fabrik. Detta skulle kräva all den databandbredd som 5G-cellen kan ge, och det är därför som företagen föredrar att bygga sina egna lokala nät.
Dessa näts frekvensområde på 3,7 till 3,8 GHz möjliggör hastigheter uppströms på 100 – 200 Mbit/s och nedströms 200 – 1000 Mbit/s. Men cellens räckvidd är begränsad till omkring 300 m till 3 km vid direkt synkontakt. Därför kräver fabrikerna mer än en enda cell. Dessa är ofta ytterst kompakta så kallade ”små celler” eller femtoceller. Dessa har en storlek ungefär som en pizzakartong. Utan någon integrerad randserverteknologi har de ännu mindre femtocellerna en storlek ungefär som en pocketbok, och de finns tillgängliga för privat bruk.
Robust 5G randserverteknologi öppnar upp för nya prestandadimensioner
I sådana installationer skall randserver-infrastrukturen bakom 5G-mikroceller idealiskt göras tillgänglig direkt i eller vid basstation/RAN-infrastrukturen (Radio Access Network) med hjälp av VNF (Virtual Network Functions). Även andra utplaceringsscenarier på andra ställen i infrastrukturen, som i mikrodatacentraler, är också möjliga om latenskraven uppfylls. Fördelen med en delad hårdvaruplattform är att både molnfunktionaliteten i en randserver och NFV (Network Function Virtualization) kan användas tillsammans i centralenheten (CU).
Cellerna kräver integration av all nödvändig hårdvara för att generera och bearbeta 5G-signaler. Detta bildar det fysiska gränssnittet mellan 5G-radionätet och det digitala basbandet. Dessutom måste de serverprestanda som krävs för de individuella randserverfunktionerna också integreras. Eftersom funktionerna kan variera från applikation till applikation rekommenderas en modulär designansats baserad på Server-on-Modules. I detta fall kan de applikationsspecifika funktionerna realiseras på bärarkortet, som exempelvis implementering av 5G-radiologiken med lämpliga expansionsmoduler.
Med Server-on-Modules baserade på den nya PICMG COM-HPC-standarden och utrustade med de nya Intel Xeon D-processorerna kan utvecklarna få tillgång till en prestandaklass som tidigare inte fanns tillgänglig för tuffa miljöer. Dessa tåliga moduler kan arbeta i det utökade temperaturområdet -40 °C till +85 °C, är konstruerade för långsiktig tillgänglighet och erbjuder speciellt skydd mot elektromagnetisk interferens, stötar och vibrationer.
För att uppnå nödvändiga prestanda har modulerna upp till 20 kärnor, upp till 1 TB minne i upp till 8 DRAM-socklar vid 2933 MT/s, upp till 47 PCIe-banor per modul totalt och 32 PCIe Gen 4-banor med dubbel genomströmning per bana. Vidare behövs upp till 100 GbE-konnektivitet och stöd för Time Coordinated Computing (TCC) och Time-Sensitive Networking (TSN) för att möjliggöra kommunikation i realtid mellan olika enheter.
Ytterligare avsevärda prestandaökningar förväntas i framtiden när nya moduler släpps ut. Men de prestanda som finns tillgängliga idag räcker fullt ut för dagens företagsnät med Open-RAN-lösningar som använder totalt 5 serverprocessorer för ”backhaul”-paketkärnan och ”midhaul” CU/DU-servrar. Dessa kräver emellertid rackar med luftkonditionering och kan inte användas i det utökade temperaturområdet. Genom att samla dessa funktioner i en enda mikrocell blir det möjligt att implementera lägre presterande men realtidskapabla små 5G-celler på blott två virtualiserade moduler.
Deterministisk realtid med moln-nativ virtualisering
Men för att kunna köra olika realtidsapplikationer oberoende av varandra på en ensam randserver behövs också tjänster för serverbalansering och serverkonsolidering. Båda krävs också för stödet på plattformssidan för realtidskapabla virtuella maskiner, som ger serverfunktionalitet för kommunikationsbehoven hos 5G-abonnenter. Realtids hypervisorn från Real-Time Systems är t.ex. idealisk för detta ändamål. Sådan virtualisering ger företag möjlighet att använda sina privata 5G-nät för heterogena realtidsapplikationer som finns på en ensam serverplattform med hjälp av ”network slicing”. Härigenom går det att allokera dedicerade systemresurser till individuella uppgifter och processer för att garantera determinism.
Server-on-Modules från congatec har konstruerats för sådana fall, och de kan snabbt modifieras för att inkludera de nödvändiga parameteriseringarna för realtids sammanställningstjänster där olika applikationer delar resurser. Detta gör att fabrikernas operatörer kan utnyttja realtidskapabla 5G-randdatorservrar mer effektivt för tjänster som maskinautomation, robotstyrning och automatiserad logistik i sina tillverkningsanläggningar.
En annan fördel med de nya modulerna är att de redan integrerar TSN nativt i processormodulen. Om 5G-kärnlogiken också stöder TSN kan modulerna klara standardiserad datautväxling och kontinuerlig, transparent kommunikation från sensorn till molnet, t.ex. genom att använda OPC UA som ett öppet realtids kommunikationsprotokoll. 5G Alliance for Connected Industries and Automation (5G-ACIA), en arbetsgrupp inom det ledande tyska tillverkarförbundet ZVEI, utvecklar de nödvändiga specifikationerna för QoS, nätsäkerhet och framför allt TSN-integration. Detta skulle t.o.m. möjliggöra jitterfri, isokron realtid, där cykeltiderna är noggrant klockade och kan synkroniseras i båda riktningarna från 100 µs till 2 ms.
I framtiden kommer COM-HPC-specifikationen utökas att även inkludera funktionell säkerhet. Moduler som stöder denna funktionalitet skulle då kunna användas som centrala styrenheter för autonoma, intralogistiska fordon som dragtruckar, lastbärare, gaffeltruckar och pallvagnar, eller för att styra samarbetande robotar. Härigenom blir det möjligt att erbjuda förcertifierade datormoduler som gör det enklare och snabbare för kunderna att ta fram nya säkerhetsapplikationer.
Allt-i-en-lösningen: COM-HPC Server-on-Modules för 5G-mikroceller
De nya COM-HPC Server-on-Modules revolutionerar konstruktionen av randservrar i tre avseenden. Tåliga serverkonstruktioner med de nya Intel Xeon D-processorerna kan implementeras i mikrocellerna i privata 5G-nät utan någon extra luftkonditionering. Detta tillsammans med stödet för det utökade temperaturområdet gör de nya konstruktionerna väl lämpade för användning utanför normala industriella miljöer, som utomhus och i mobila applikationer inom byggbranschen och i jordbruket.
Världens första COM-HPC Server-on-Modules från congatec ger avsevärt förbättrade prestanda och skalbarhet, erbjuder väsentligt högre minnesbandbredd med upp till 20 kärnor och upp till 8 DRAM-socklar. Förutom att vara först möjliggör modulerna deterministisk realtid inom Industrial IoT. Detta gör dem till den idealiska basen vid konstruktion av kundanpassade 5G-celler med integrerad randserverteknologi som en allt-i-en-lösning.
För administratörer av 5G-nät erbjuder de nya modulerna en uppsättning högkvalitativa, applikationsspecifika serverfunktioner. För affärskritiska konstruktioner finns kraftfulla säkerhetsfunktioner i hårdvara, som Intel Boot Guard, Intel Total Memory Encryption – Multi-Tenant (Intel TME-MT) och Intel Software Guard Extensions (Intel SGX). Omfattande RAS-funktionalitet (Remote Application Server) stöder funktioner för fjärrhantering av hårdvara, som IPMI och Redfish, för vilka det också finns en PICMG-specifikation som garanterar interoperabilitet hos sådana implementeringar. Slutligen tillhandahåller congatec också omfattande tjänster som hjälp vid individuell systemutveckling och kundspecifika implementeringar. Bland dessa finns till exempel kurser i COM-HPC-design, personlig integrationssupport och komplianstestning av kundspecifika bärarkort.
