Modulare Edge-Computer-Technik für intelligente Infrastrukturen

Die ersten IoT-Edge-Server-Designs in Chinas Edge Layer für Smart Grids basieren auf Server-on-Modules von Congatec mit Intel-Xeon-D15xx-Prozessoren. Alternative Konfigurationen nutzen Intel-Atom-C3xxx-Prozessoren. Congatec

Low-Power-Weitbereichsfunknetze (LPWANs) wie Lora kommen heute in vielen Bereichen zum Einsatz. In Smart Cities binden sie beispielsweise verteilte smarte Devices für die Parkraumüberwachung an das Internet der Dinge an. Applikationen werden in diesem Bereich sowohl für das Management einzelner Parkplätze als auch für ganze Parkhäuser und Städte entwickelt. Die hierfür erforderliche hohe Skalierbarkeit möglicher Parkraumbewirtschaftungssysteme mit dezentraler Edge-Logik ist jedoch nur ein Beispiel, weshalb Lora-Gateways sehr anpassungsfähig ausgelegt sein müssen.

Lora-Gateways benötigen eine flexible Embedded-Edge-Logik

Flexible Lora-Gateway-Konfigurationen sind auch gefordert, weil das drahtlose Lora-Protokoll keine physische Kabelanbindung benötigt. Solche Gateways können deshalb jeden Lora-Sensor anbinden. Dadurch kommen Lora-Gateways überall zum Einsatz und können für jedwede Anwendung mit unterschiedlichen Lora-Devices genutzt werden. In Smart Cities lassen sich Lora-Gateways, die für die Parkraumbewirtschaftung zum Einsatz kommen, zusätzlich auch für die Integration der E-Mobilitäts-Ladeinfrastruktur in Parkleitsysteme oder auch für die Überwachung von Free-Floater-Mobilitätsangeboten nutzen. Hierfür müssen Smart City Gateways allerdings eine integrierte Skalierbarkeit bieten, um für zukünftige Aufgaben gerüstet zu sein und damit eine höhere Investitionssicherheit bieten.

Das Lora-Gateway Flexgate FGW264 der französischen Firma Expemb bietet dank Computer-on-Modules eine solche Skalierbarkeit. Indem Module für die Edge-Prozessoren genutzt werden, ermöglicht das Gateway ein flexibles Hard- und Software-Setup, mit dem alle technischen Anforderungen an Lora-basierende IoT-Applikationen erfüllt werden können – einschließlich der Integration von künstlicher Intelligenz. Die Plattform unterstützt bis zu acht Lora-Kanäle gleichzeitig, um mit mehreren tausend angebundenen Objekten kommunizieren zu können. Zudem kann sie nicht nur über eine, sondern über zwei Generationen der leistungsstarken und stromsparenden Intel-Atom-Prozessorserie (Codenamen Bay Trail und Apollo Lake) skaliert werden. Die zum Einsatz kommenden Computer-on-Modules auf Basis des herstellerunabhängigen Qseven-Standards bieten zudem Skalierungsoptionen, die weit über dedizierte Prozessorsockel hinausreichen, was die Integration vieler unterschiedlicher Prozessorarchitekturen ermöglicht.

In Richtung Cloud wird das Lora-Gateway über 1-GBit-Ethernet und 3G/4G angebunden. Diese reduzierte Schnittstellenanzahl macht das Gateway sehr gut geeignet für Lora-zentrische Applikationen. Edge-Systeme, die eine hybridere lokale Konnektivität benötigen, brauchen natürlich auch eine flexiblere I/O-Ausstattung. In solchen Anwendungsszenarien ist ein modularer Ansatz für die Auslegung von Edge-Computern ebenfalls ideal, was anhand der neusten Edge-Layer-Implementierung in China verdeutlicht werden kann.

Edge Server für Smart Grids

In China wird derzeit in Zusammenarbeit mit Tencents-Energy-IoT-Partner ein Edge Layer für ein verteiltes Smart-Grid-Managementsystem ausgerollt. Ein solches Edge-Server-Design ist dabei nicht nur für das Management verteilter Energieerzeuger und Verbraucher, sondern auch für die Verkehrsinfrastruktur von Smart Cities sehr interessant, da die Bedeutung der Elektromobilität zukünftig immer weiter zunehmen wird. Für E-Mobility sind nämlich Ladeinfrastrukturen gefragt, die mit regenerativen Energien versorgt werden müssen, da andere Energiequellen keinen Sinn machen. Die regenerative Energie sollte über lokale Mikrogrids oder verteilte virtuelle Netze erzeugt werden. Solche Netze benötigen intelligente Edge Devices, um die dezentralen Prozesse in Echtzeit steuern zu können. Sobald der chinesische Edge Layer vollständig verfügbar ist, wird er tausende Stromversorgungsgeräte und hunderte Stromversorgungsprotokolle sowie die Online-Bearbeitung gängiger Standardprotokolle und die dynamische Konfiguration gängiger Standardgerätetypen unterstützen. Ein solch umfassendes Ökosystem ist sicherlich für viele der derzeit global entstehenden Implementierungen äußerst interessant.

Für die flexibel auszulegende Hardware dieser neuen Klasse von Edge Devices haben sich die Entwickler für ein modulares Systemdesign auf Basis von COM-Express-Type-7-Modulen entschieden. Diese Module bieten über den standardisierten Formfaktor eine bedarfsgerecht skalierbare Server Performance und -Funktionalität. Erste Systeme nutzen Module mit Intel-Xeon-D15xx-Prozessoren mit bis zu 16 Cores und 32 Threads. Alternative Konfigurationen basieren auf Intel-Atom-C3xxx-Prozessoren. Mit bis zu 16 Cores sind diese Prozessoren ideal für alle Installationen, die kleinere Paketgrößen parallel zu verarbeiten haben und dabei nur einen geringen Energieverbrauch mit 25 W TDP erfordern. Solche Systeme sind in der Regel als kompakte Box-PCs ausgelegt, aber auch Edge-Systeme in Rackserver-Layouts können von einem modularen Ansatz mit Computer-on-Modules profitieren.

Thema der nächsten Seite: Modulare Rackserver für Situational-Awareness-Applikationen und 5G Edge

Die Christmann-Microserver-Familie RECS Box 4.0 für industrielle Racksysteme ist hoch skalierbar. Sie lässt sich sowohl mit COM-Express-Typ-6- und -Typ-7-Server-on-Modulen als auch mit GPGPU- und FPGA-Modules bestücken, die Footprint-identisch zu COM Express sind. Congatec

Die ständig steigenden Performanceansprüche von 5G-Wayside-Edge-Servern und Elektrofahrzeugen können mit modularen Designs auf Basis von Server-on-Modules sehr gut erfüllt werden, indem zunächst ein COM-&-Carrier-Design für die initiale Entwicklung und in der Endapplikation ein Full-Custom-Design mit COM und Carrier-Fusion genutzt werden. Congatec

Auch in noch deutlich leistungsfähigeren Rackserver-Designs können standardisierte Computer-on-Modules die Investitionskosten drastisch senken. Von sinkenden Kosten profitieren hier beispielsweise Infrastrukturserver für Wayside-Applikationen sowie Videoüberwachungssysteme mit KI für eine verbesserte öffentliche Situational Awareness. Für solche Infrastruktur-Aufgaben am Edge setzen Anbieter wie Christmann auf Server-on-Modules, die auf Basis des herstellerunabhängigen COM-Express-Type-7- und des kommenden COM-HPC-Standards angeboten werden. Für sie spricht nicht nur die hohe Flexibilität, um die Performance an aktuelle KI-Anforderungen anzupassen, sondern auch die langfristige Perspektive: Die zweite Server-Generation, die sicherlich nach drei bis fünf Jahren aufgrund des schnellen technologischen Fortschritts erforderlich wird, wird damit voraussichtlich etwa 50 Prozent der Anfangsinvestition kosten, da in den meisten Fällen nur das Prozessormodul  getauscht werden muss.

Um die daraus entstehende, deutlich reduzierte TCO komplett erschließen zu können, lassen sich Christmann-Rackmount-Server flexibel mit bis zu 27 CPU-Microservern mit x86- oder ARM-Architektur ausrüsten. Darüber hinaus sind optional standardisierte, modulare GPGPU-Karten und FPGA-Module für die Parallelverarbeitung integrierbar. Das Unternehmen nutzt hierzu ebenfalls den COM Express Basic Footprint, was die Auslegung der Christmann-RECS-Box-4.0-Serverfamilie äußerst flexibel macht.

Auch das 5G Edge sollte modular werden

Diese drei Beispiele verdeutlichen die enormen Vorteile, die Computer-on-Modules und Server-on-Modules für Edge Gateways und Edge Server bieten. Bei stückzahlenstarken Applikationen ist zudem die Fusion von Modul und Carrierboard eine gängige Strategie. Warum also diese Strategie – zuerst ein COM-&-Carrier-Design für die erste Evaluierungs- und initiale Entwicklungsphase und ein Full-Custom-Design mit COM und Carrier-Fusion für die Endapplikation zu nutzen – nicht auch für Großserien der 5G Wayside-Edge Server oder Elektrofahrzeuge für Privatanwender verfolgen? Embedded-Computer-Anbieter wie Congatec sind zumindest dafür gerüstet, einen solchen Paradigmenwechsel von proprietären Designs hin zu Closed Loop Engineering mit offenen modularen Plattformen vollumfänglich zu unterstützen.

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