Beim Edgeserver-Computing werden Daten anstatt in zentralen Clouds schon am Rand der Kommunikationsnetze verarbeitet, um verzögerungsfreie oder echtzeitfähige Interaktion mit Clients aller Art bedienen zu können. Das stellt Hersteller von Server-, Networking- und Storagetechnologien allerdings vor große Herausforderungen, denn bislang waren sie es in aller Regel gewohnt, für ihre Systeme standardisierte Rack-Lösungen zu entwickeln, bei denen das Thermalmanagement der Racks und die Klimatisierung der Serverräume über aktive Lüftungskonzepte und leistungsstarke Klimatechnik geregelt wurde. Für Edgeserver-Technologie sind solche Ansätze aber in vielen Fällen nicht mehr zu gebrauchen.

Die American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers, kurz ASHRAE, hat sich zwar bereits viele Gedanken gemacht, wie man Edge-Serverperformance sinnvoll im rauen Umfeld installieren könnte. Aus der Blickrichtung einer solchen Vereinigung von Unternehmen aus dem Heizungs-, Kühlungs-, Lüftungs- und Klimaanlagenbau wurden auch durchaus plausible Empfehlungen ausgesprochen, damit Edge-Datacenter leistungsstark klimatisiert und bestens isoliert betrieben werden können, um vor Hitze und Kälte geschützt zu sein. 

Edge-Server aus den Fesseln der Klimatisierung befreien

Der von der ASHRAE für Edge-Datencenter vorgeschlagene maximal erlaubte Temperaturwechsel von 20 °C innerhalb einer Stunde und maximal 5 °C in 15 Minuten bedarf jedoch komplexer Klimatechnik und ist deshalb nur sehr aufwendig zu realisieren. Zudem kann er insbesondere bei Wartungsarbeiten von Edge-Datencentern kaum eingehalten werden, wenn sie kleiner als eine Telefonzelle sind, denn solche Lösungen müssen im Wartungsfall geöffnet werden können und dies bei jeder Umgebungstemperatur. Man kann in solche Systeme nun einmal nicht über eine Klimaschleuse reinhuschen und die Türe schnell wieder schließen, um die Wartungsarbeiten im vollklimatisierten Edge-Serverraum durchzuführen. 
Edge-Server und -Datacenter in rauem Umfeld brauchen deshalb Systemdesigns, die Temperaturschwankungen besser verkraften und auch in einem deutlich weiteren Temperaturbereich betrieben werden können als in den allgemein für Indoor-IT-Equipment üblichen 0 bis 40 °C. Im industriellen Umfeld üblich sind vielmehr Embedded-Systemdesigns, die unter Umgebungstemperaturen von -40 Grad arktischer Kälte bis hin zu heißen 85 °C betrieben werden können. Entsprechend muss jedes Bauelement gehärtet sein.

Robustere Designs sparen Klimatisierungskosten

Die zum Einsatz kommende Prozessortechnologie ist dabei der neu­ralgische Punkt bei der Auslegung von Edge-Server-, Networking- und Storage-Technologien. Mit ihr steht und fällt die Entscheidung, entweder den ASHRAE-Empfehlungen zu folgen und massiv in Klimatisierungstechnik und Isolierungen zu investieren – was hohe Investitions- und Betriebskosten durch Sekundärenergieverbrauch mit sich zieht. Oder ob man Systeme entwickelt, die all das nicht brauchen, weil sie selbst unter extremen Temperaturen zuverlässig arbeiten und damit deutlich günstiger in raue Umgebungen gebracht werden können – von Installationen in Fabriken über Outdoor-Equipment für Kommunikations-, Videoüberwachungs- und sonstige kritische Infrastrukturen bis hin zu Servern in mobilen Systemen.

Mit der Verfügbarkeit der neuen Xeon-D-Prozessoren ist nun eine Servertechnologie vorhanden, die für den Einsatz in extremen Temperaturbereichen von -40 °C bis 85 °C qualifiziert wurde. Selbst extrem leistungsfähige Serverdesigns können dadurch nun aus den engen thermalen Restriktionen von klimatisierten Serverräumen ausbrechen, um schlussendlich überall installiert werden zu können, wo möglichst latenzfreier massiver Datendurchsatz am Edge des Internets der Dinge und Industrie 4.0 Fabriken gefordert ist. 

Hohe Anforderungen an das Systemdesign

Ein Server-Prozessor alleine macht jedoch noch keinen Rugged-Edge-Server. Es ist vielmehr auch umfassendes Know-how gefordert, um die Anforderungen an Systemdesigns für das raue Umfeld erfüllen zu können. Jedes einzelne Bauteil, das hier verbaut wird, muss entsprechend qualifiziert sein und auch an das Leiterplatten- und Boarddesign werden besondere Anforderungen gestellt bis hin zu speziellen Coatings, die vor Schwitzwasser und weiteren Umwelteinflüssen schützen. Auch ist ein hoher Schutz zur Abschirmung von fremdelektromagnetischen und hochfrequenten Signalen erforderlich, die die Geräteleistung stören könnten.

Entwickler von Embedded Computing Technologien wie Congatec haben jahrzehntelange Erfahrungen bei der Auslegung solcher Designs gesammelt, indem sie Standard-PC-Technologien wie Intel Core Prozessoren industrietauglich in Embedded Systeme integriert haben. Sie kennen die Anforderungen und Zertifizierungsstandards der unterschiedlichsten Branchen aus dem Effeff und sind es auch gewohnt, ihre Systeme langzeitverfügbar auszulegen, um den Anforderungen der Industrie gerecht werden zu können und OEM-Lösungen über 7, 10 oder 15 Jahre hinweg mit identischen Boardkonfigurationen versorgen zu können. Sie wissen auch, dass sich industrielle Applikationen von Standard-Systemauslegungen für den Office-Bereich deutlich unterscheiden, weil im industriellen Einsatz immer auch ein mehr oder weniger hoher Grad an Customization gefordert ist, was modulare Designs mit Computer-on-Modules zum Königsweg der Boardentwicklung macht. Sie haben zudem gelernt, dass Standardisierung wichtig ist, weshalb weltweit anerkannte Standards für solche Module geschaffen wurden.

Mit Standards schneller zum Ziel

Diese gebündelte Expertise wurde nun mit der COM-HPC-Server Spezifikation auf den Anwendungsbereich industrietauglicher Edge-Server-Designs transponiert und steht mit dem Launch der Intel Xeon D Prozessoren Entwicklern nun erstmals in der Form realer Produkte zur Verfügung. Der Vorteil der neuen Server-on-Modules nach dem COM-HPC Server Standard ist, dass Entwickler die Module als applikationsfertige Embedded-Computing-Logik in ihre individuellen Carrierboards integrieren können, sodass sie sich nicht mit der Basistechnologie des Prozessors, sondern nur mit den Anforderungen an die Positionierung der Boardkomponenten und Ausführung der Schnittstellen an der richtigen Stelle des Carrierboards befassen müssen. Hierzu wurde jüngst auch der COM-HPC Carrier Design Guide von dem Standardisierungsgremium PICMG verabschiedet. Er ist essenziell für den Aufbau interoperabler und skalierbarer, kundenspezifischer Embedded Computing Plattformen auf Basis des neuen Standards und macht es Entwicklern auch leicht, sich in die Logik des Standards einzulesen. 

Wissen ist Macht

Für ein schnelles, einfaches und effizientes Eintauchen in die Designregeln hat Congatec sogar eine Online- und Vor-Ort-Schulungsakademie für COM-HPC Server- und Client-Designs eröffnet, die Entwicklern einen von Experten geführten Einstieg in die neue Welt der High-End Embedded und Edge Computing Designs auf Basis des neuen Computer-on-Module Standards bietet. Vorgestellt werden alle obligatorischen und empfohlenen Designgrundlagen und Best-Practice-Schemata von COM-HPC-Carrierboards und Zubehör wie lüfterlose High-End-Kühllösungen für Serverdesigns bis zu und sogar über 100 Watt. Als Referenzplattform für die Schulung der Intel Xeon D Prozessorimplementierung dienen die funktionsreichen Evaluierungs-Carrierboards für COM-HPC Server Module, die den Funktionsumfang des Standards vollumfänglich auf die Straße bringen und die Entwickler auch als Plattformen für die weitere Applikationsentwicklung nutzen können.