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COM-HPC伺服器模組實現5G即時通訊

作者 : Zeljko Loncaric，congatec市場行銷工程師

為了在嚴苛的工廠和戶外環境下實現低延遲的即時資料處理，需要特別強化的5G蜂巢式基地台解決方案。為此，業界開發出專門針對工業領域的COM-HPC伺服器模組，可用於資料中心以外的工業通訊環境...

整合了邊緣伺服器且具有即時功能的5G蜂巢式基地台是數位化轉型(DX)的關鍵技術，它為工業物聯網(IIoT)、工業4.0、重要基礎設施等領域帶來了大量新機遇。不過，要在嚴苛的工廠和戶外環境下實現低延遲的即時資料處理，這些解決方案必須特別強化。為此，業界開發出專門針對工業領域的COM-HPC伺服器模組，可用於空調資料中心以外的工業通訊環境。

製造業的數位轉型需要高速即時網路，但在所有地方都鋪上線纜顯然不符現況。因此，具有即時功能的5G標準成為工業通訊的一場革命，它能夠提供可靠的無線連接並即時處理海量資料，最重要的是，它的覆蓋範圍比WLAN更廣。由於固定和移動設備都能使用5G網路，也就可以將整個工廠都連上網路。對於這種應用，5G可以管理高密度的連網設備，實現毫秒級的迅速回應並確保低延遲。憑藉網路切片技術，5G還能創建多個獨立的虛擬網路，它們在邏輯上由一個實體網路隔離開來。最後，5G還能為雲端原生架構奠定基礎，讓這些架構透過5G邊緣運算，成為具有即時功能的霧伺服器，與各種設備的無線通訊。

商用5G專網基礎設施

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開通3.7-3.8GHz頻段為專網使用，這意味著5G可以在工業4.0環境的各種園區專網以及許多其它產業關鍵基礎設施中使用和運營。這些專網基礎設施具有可擴展性且5G可相容舊的行動通訊標準(預計也會相容後續的通訊標準)，這就確保了高投資的安全性。越來越多的公司因此部署了自己的5G專網，以運行關鍵的商業應用，實現數位化生產。MarketsandMarkets的研究顯示，這一趨勢將在未來數年加劇。

圖1：工業5G基地台可以運行極其繁多的任務。伺服器模組擴展了5G網路和邊緣運算功能，使OEM能夠以低成本拓展小型基地台(只比披薩盒大一點) 的性能。

當然，企業也可以使用公用網路，不過在鄉村地區，公用基地台(即大型基地台)使用700MHz頻寬來達到15-20公里(km)的訊號範圍，資料速率被限制在100到200MB/S。雖然這足以滿足一整個大型汽車廠的需要——例如福斯汽車(VW)在沃爾夫斯堡(Wolfsburg)佔地6平方公里的基地，但單個5G基地台的可用頻寬不足以讓整個工廠都連網，這樣將佔用全部的5G資料輸出頻寬，因此各企業才希望建立自己的專網。3.7-3.8GHz頻段的網路可以實現最高100 200MB/S的上傳速度和200-1000MB/S的下載速度。不過，基地台範圍被限制在視線可及的300公尺(m)到3km的程度。因此，工廠就需要多個基地台。它們往往體積小巧，因此被稱為小型基地台或蜂巢式基地台。小型基地台的尺寸和披薩包裝盒(圖1)差不多。在沒有整合式邊緣伺服器技術的情況下，蜂巢式基地台甚至更小，其尺寸和一本書差不多，可供私人購買。

5G邊緣伺服器技術開啟新的性能維度

在這類應用中，5G蜂巢式背後的邊緣伺服器設備最好以部署虛擬網路功能(VNF)的方式，直接安裝在基地台/無線電接取網路(RAN)設施上。如果對延遲要求不高，也可部署在設施的其它地方，例如微資料中心。建立共用硬體平台臺的好處在於，邊緣雲端伺服器和網路功能虛擬化(NFV)可在中央單元(CU)同時部署。

基地台需要整合各種必要的硬體才能收發並處理5G訊號，相當於5G無線電網路和數位基帶之間的實體介面。此外，各邊緣伺服器功能所需的伺服器性能要求也需要整合。由於各種應用的功能需求差異很大，採用伺服器模組的模組化設計方式就是最好的選擇。在此情況下，針對特定應用的功能可在載板(圖2)上部署——例如帶有相應擴展模組的5G無線電邏輯。

圖2：客製化載板甚至能被設計成燈柱中的5G基地台。

有了採用新PICMG COM-HPC標準和新英特爾(Intel) Xeon D處理器的伺服器模組，開發商就能在嚴苛環境下獲得此前無法實現的性能等級。這些加固式的模組可以在-40～+85℃的擴展溫度內運行，具備長期使用性，並且對電磁干擾(EMI)和衝擊振動有特殊的防護能力。

為了提供必要的性能，每個模組提供最多20個核心、1TB記憶體、8個速度達到2933MT/s 的DRAM插槽、47個PCIe通道，其中的32個PCIe Gen4通道具有雙倍數據輸送量；以及高達100GbE網路介面，並支援時序協調運算(TCC)和時效性網路(TSN)，可實現設備間的即時通訊。隨著新模組的推出，未來的性能還有望大幅提升。不過，目前的性能完全可以滿足當下的園區網路設計需求，這些設計採用Open-RAN的解決方案，使用5個伺服器處理器，用於回傳封包核心和中傳CU/DU伺服器。不過，這些設計需要機架空調系統，且無法用於更廣的溫度範圍。將這些功能整合在單個蜂巢式基地台內，只需要兩個虛擬模組，就可建造性能較低但具有即時功能的小型5G基地台。

雲端原生虛擬化實現即時確定性

不過，要在單個邊緣伺服器上獨立運行不同的即時應用，使用者就需要伺服器平衡和整合服務。這兩者皆需要具有即時功能虛擬機器的平台支援，而且能夠提供5G用戶通訊所需的伺服器功能。Real-Time Systems的虛擬機器監控程式(Hypervisor)是實現這一目標的理想選擇。這種虛擬化技術能夠讓企業利用自己的5G專網，透過網路切片技術，實現單個伺服器平台上的異質即時應用。然後，企業就能夠分配專門的系統資源給具體的任務和進程，確保它們的確定性。

例如，康佳特(congatec)的伺服器模組專門為此類應用設計，它們能夠快速調節配置，以納入即時主機託管服務(不同的應用可共用資源)所需的參數。這使工廠營運商能夠更高效地配置即時5G邊緣資料伺服器，用於其生產設施中的機器自動化、機器人控制或自動物流等服務。

這些新模組的另一個優點是，它們在處理器模組中直接整合了原生TSN。如果5G核心邏輯也支援TSN (圖3)，這些模組就能實現標準化的資料交換，以及從感測器到雲端的持續、透明的通訊，例如將OPC UA作為公開的即時通訊協議。5G互連產業與自動化聯盟(5G-ACIA)是由德國龍頭廠商協會ZVEI領導的工作小組。該小組正在制定QoS、網路安全以及TSN整合方面的必要標準。這甚至能夠實現無抖動的即時同步通訊，通訊週期時間將被精確記錄，且能夠進行100微秒到2毫秒之間的雙向同步。

圖3: 只要5G基地台支援TSN，它們就能運行即時應用。

將來，COM-HPC標準將擴展至功能安全領域，支援該功能的模組屆時可以作為無人駕駛內部物流車輛 (拖車、貨車、叉車、流水線車輛或貨盤卡車)的中央控制器，也可用來協調協作機器人，而提供預認證的電腦模組讓客戶更輕鬆快捷地實現新的安全類應用。

COM-HPC伺模組實現5G蜂巢式基地台設計

新的COM-HPC伺服器模組從三個方面革新了邊緣伺服器設計：一、加固式伺服器設計，搭載新款英特爾Xeon D處理器，可裝在5G專網的蜂巢式基地台中，無需空調散熱。二、該設計也支援更廣的溫度範圍，使其適用於標準工業環境以外的場景，包括建築或農業領域的戶外和行動應用場景。三、COM-HPC伺服器模組的性能和可擴展性顯著提高，具有大幅擴充的記憶體頻寬、最多20個核心(圖4)和8個DRAM插槽。此外，它們還能夠實現工業物聯網領域的確定性即時運算，這使其適用於多合一解決方案：帶有整合式邊緣伺服器的客製5G基地台。

圖4：工業5G邊緣的伺服器整合：最多20核心，可運行各種5G NVF和工業即時應用。

對於5G網路管理者來說，該新模組還具有一系列針對特定用途的優秀伺服器功能：在關鍵商用設計方面，這些功能包括強大的硬體安全功能，例如Intel Boot Guard、英特爾全記憶體加密- Multi-Tenant (Intel TME-MT) 和SGX。全面的遠端應用伺服器(RAS)功能支援遠端硬體管理功能，例如IPMI和Redfish，且可透過PICMG規範來確保這些功能之間的互通性。最後，康佳特還提供全面的個性化系統開發和定制服務，包括COM-HPC設計培訓、個性化整合支援、定制載板設計的合規測試等。

本文原刊登於EDN China網站，Frankin編譯