Server-on-Module per edge e fog computing

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I server di tipo edge sono installati ai bordi della rete Internet. Poiché espletano compiti importanti sia per la rete sia per le applicazioni locali essi sono, insieme ai gateway per IoT, i più importanti blocchi base per le tecnologie dell’IoT industriale. I cosiddetti “fog computer” assolvono funzioni molto simili. Ma cosa si intende per “fog computing”? Il termine è stato coniato in risposta al fatto che, talvolta, per alcuni tipi di applicazioni, le risorse nel Cloud si possono rivelare troppo distanti dalla fonte dei dati da gestire. Da qui l’analogia meteo: così come la “nuvola” si trova generalmente in alto nel cielo, in un luogo piuttosto lontano e poco definito, la “nebbia” staziona invece in prossimità del terreno, in questo caso al livello IIoT locale (o in ultima analisi agli utenti finali). Ciò riassume la differenza tra cloud e fog server. A differenza degli edge server, i fog server permettono di aggiungere la virtualizzazione in tempo reale per sistemi diversi. I fog server, dunque mettono a disposizione un’infrastruttura locale affidabile e, in funzione del progetto, dotata di funzionalità real-time per Internet of Things.


Elaborazione client/server nell’era dell’IoT

A differenza dei gateway per applicazioni IoT, i server edge/fog non operano come un semplice bridge, ma forniscono un insieme completo di funzionalità di controllo e gestione per le applicazioni locali, costituite da server e client, quali ad esempio sensori intelligenti e altri dispositivi. A questo punto è utile domandarsi la ragione per cui è necessario il ricorso a un’infrastruttura IIoT che utilizza edge e fog server che, fondamentalmente, può essere considerata una nuova forma di elaborazione client/server corredata da funzioni di gateway complementari. Le ragioni sono parecchie. In primo luogo, il volume dei dati è in continuo aumento. Ad esempio, lo streaming on-demand di video che devono essere decodificati in accordo con il dispositivo client utilizzato richiede la possibilità di eseguire la transcodifica alla periferia della rete per ottimizzare la compressione e la risoluzione video in funzione dell’ampiezza di banda e del livello di risoluzione supportato dal dispositivo finale. Nel caso il traffico fosse gestito da un unico server centralizzato, la rete risulterebbe sovraccaricata. Nel caso invece tutte le elaborazioni fossero a carico del dispositivo “smart” finale, l’implementazione di nuove applicazioni sarebbe impossibile. Nel caso sia necessario recuperare dati e app da un Cloud centralizzato, la latenza è inevitabilmente maggiore rispetto al caso in cui questa operazione venga eseguita a livello locale. Le applicazioni che devono garantire tempi di risposta rapidi richiedono un livello di prestazioni che solo un’elaborazione locale è in grado di assicurare. Rispetto ai server Cloud, i server locali possono quindi contribuire a migliorare la qualità del servizio. Le funzionalità di tipo real-time sono implementabili solamente nel caso di progetti di reti deterministiche e richiedono che tutti i dati relativi all’applicazione e le risposte siano disponibili entro limiti temporali definiti. Una gerarchia Cloud di tipo centralizzato, che a volte può prevedere canali di comunicazione transoceanici, reti Wan con limitata ampiezza di banda e server singoli, non è in grado di soddisfare tali richieste. I fog server distribuiti localmente possono anche garantire una maggiore affidabilità sfruttando la ridondanza. Inoltre, il traffico dati attraverso server centralizzati è anch’esso in costante aumento. Nel caso fosse richiesta la trasmissione di tutti i dati provenienti dai sensori, che a volte vengono forniti a frequenze elevate, verso una piattaforma per “big data” centralizzata, la rete sarebbe sovraccaricata da un gran numero di pacchetti di dati. In un contesto di questo tipo la pre-elaborazione dei dati è un requisito essenziale. Senza dimenticare, infine, che se l’applicazione locale prevede solamente sensori intelligenti e azionamenti, è necessaria la presenza di un server locale ubicato alla periferia della rete IIoT per tutti questi client al fine di configurare i componenti in un unico insieme e dar vita all’applicazione. Sono numerose le applicazioni che possono trarre beneficio dall’utilizzo di edge e fog server ad alte prestazioni. Nel settore industriale, i primi esempi sono rappresentati dalle installazioni che supportano il concetto di Industry 4.0. Nel comparto dell’energia, vengono usati nelle reti di distribuzione intelligenti per il monitoraggio delle centrali a energia o per il controllo di micro grid che utilizzano varie fonti di energia rinnovabile locali. Nella gestione integrata di stabilimenti produttivi, si tratta di gestire siti complessi. Nel settore dei trasporti la tecnologia server è utilizzata nei vagoni merci ferroviari per migliorare la gestione dell’inventario o nelle carrozze per il funzionamento dei sistemi di infotainment. Anche la guida autonoma richiede la presenza di computer di bordo potenti. Altri settori sono quelli della video sorveglianza, della cartellonistica digitale e di contenuti pubblicitari dinamici e quello medicale.

La sfida degli ambienti gravosi

In considerazione del gran numero e della diversità delle applicazioni IIoT che richiedono edge o fog computer, è indispensabile poter disporre di server flessibili, affidabili e disponibili sul lungo periodo. Poiché molti dei nuovi server sono parte integrante di dispositivi o macchinari, i vincoli in termini di spazio rappresentano un fattore critico. Per questo sarebbe utile implementare tutte le interfacce necessarie direttamente a livello di scheda. Il modo più efficace è ricorrere a moduli di elaborazione standardizzati e a schede carrier per applicazioni specifiche. Per questo congatec ha definito una nuova classe di moduli di elaborazione di classe server che ha denominato Server-on-Module. Grazie a essi è possibile utilizzare la più recente tecnologia per server sotto forma di componenti di tipo “application ready” nonché realizzare le necessarie personalizzazioni in modo semplice ed economico.

Gli standard, chiave del successo

Un vantaggio di questi nuovi Server-on-Module è la conformità con lo standard aperto Com Express per moduli Com supportato da Picmg. Questo standard contempla tutte le specifiche per la progettazione di server embedded di fascia alta destinati ad applicazioni industriali. I vari strati del Pcb garantiscono la conformità alle specifiche Emc negli ambienti industriali più severi. I connettori Smd a doppia fila con 440 pin sono in grado di supportare un gran numero di I/O. Senza dimenticare che Com Express è ottimizzato per le interfacce ad alte prestazioni dei Pc standard e garantisce la massima affidabilità grazie a una connessione stabile con le schede carrier specifiche. In molti casi nei progetti di sistemi di fascia alta viene quindi adottato il formato Com Express, in particolare dove l’insieme di caratteristiche standard delle schede madri non è in grado di soddisfare i requisiti di progetto o lo spazio a disposizione è limitato. È quindi chiara l’opportunità di utilizzare le stesse specifiche per sviluppare moduli Com Express di classe server.

SoM, tanti vantaggi

Qual è la differenza tra i Server-on-Module e i Computer-on-Module tradizionali? Le due tipologie di prodotti differiscono in termini di processore, caratteristiche, livello di prestazioni e consumi. Server-on-Module avanzati saranno corredati dai tool di classe server necessari per la gestione di applicazioni IoT, M2M e Industry 4.0, proponendosi come la soluzione ideale per un gran numero di apparecchiature collegate attraverso edge o fog server. Grazie a disponibilità di funzioni di gestione remota di classe server e del controllore per la gestione della scheda integrato che prevede il controllo delle perdite di potenza e la presenza di un watchdog timer, questi moduli sono ideali per espletare compiti di controllo remoto, gestione e manutenzione fino ad arrivare alla gestione completa da remoto. Le prime piattaforme Server-on-Module di congatec sono equipaggiate con i più recenti processori per server Intel Xeon di 5a generazione e rappresentano un punto di riferimento in termini di prestazioni per i progetti di sistemi di elaborazione embedded basati sui moduli Com. Il modulo conga-TS170, per esempio, è disponibile con differenti modelli di processori Xeon: nelle applicazioni che richiedono elaborazioni a elevato parallelismo o prestazioni grafiche spinte, la versione equipaggiata con il processore Intel Xeon E3-1515M v5 e la grafica Intel Iris Pro rappresenta la soluzione migliore. La Gpu di questo nuovo Server-on-Module prevede 128 MB di eDram e, grazie a 72 unità di esecuzione, garantisce una potenza di calcolo in parallelo tre volte superiore rispetto a quella di processori in architettura Skylake che non prevedono la Gpu Iris. Chi è impegnato nello sviluppo di sistemi Com Express con un elevato livello di integrazione ora può garantire livelli di prestazioni che in precedenza richiedevano un’unità grafica dedicata. Per le applicazioni che richiedono elevate prestazioni di elaborazioni multimediali, le versioni più adatte sono i processori Intel Xeon E3-1578L ed E3-1558L, che mettono a disposizione fino a 128 MB di eDram. Rispetto ai processori Intel Xeon della precedente generazione, la frequenza di base delle unità di elaborazione grafica è raddoppiata e può raggiungere i 700 MHz. Ciò contribuisce a migliorare le prestazioni di elaborazione multimediale, poiché gli acceleratori hardware utilizzati, ad esempio, per la transcodifica video, sono sempre fatti funzionare alla velocità di clock base e non in modalità turbo. Ciò permette di eseguire l’elaborazione di un massimo di due flussi di uscita con risoluzione 4K o di un massimo di 15 flussi video Full HD. Grazie a uno spazio di indirizzamento per la memoria video che può arrivare a 32 GB viene garantita la massima affidabilità delle applicazioni multimediali anche in presenza di elevati volumi di dati. Ciò rappresenta un vantaggio in applicazioni quali videoconferenza, telecamere di sorveglianza e video on demand. Per la gestione di edge e fog server in applicazioni IIoT distribuite tutti i modelli della serie conga-TS170 mettono a disposizione tool di classe server avanzati. Grazie alla tecnologia Intel vPro e al controllore per la gestione della scheda di congatec con watchdog timer e controllo delle perdite di potenza, questi Server-on-Module hanno tutte le funzionalità necessarie per il controllo remoto, la gestione e la manutenzione anche da remoto.

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