不論在何種產業,工業 4.0 系統的未來都有賴霧端伺服器與即時技術的整合,因此,即時虛擬機器監控程式(hypervisor)和即時通訊標準便成為不可或缺的要項。為此,德國康佳特(congatec)可提供COM Express Type 7伺服器模組亦支援RTS的即時虛擬化,以及10GbE以上的確定性通訊。

整合至工業4.0應用的機械手臂、機器和製造系統會產生龐大的水平與垂直通訊流量。在水平通訊上,其他機器、物料搬運以及視覺系統都須相互連線,並構成一個單元,而持續監控性則有賴於從batch size 1開始的自動化生產垂直整合。

其他如大數據(Big data)分析與預測性維護等物聯網(IoT)服務,或是存取專為特定機器製作的數位使用者指南與說明資訊,亦都直接整合至系統。凡是需要該服務的使用者都可取得相關存取權限,必要時也能透過雲端和智慧型手機應用程式存取。任何需要整合至整體系統的協力廠商也可存取工業4.0 連線的專用介面。還有,別忘了,個別工業4.0元件的原始控制任務依然是解決方案的必要部分和重要的通訊任務。

工業 4.0 應用的主要元件

即時霧端伺服器是實現此類物聯網連線及工業 4.0 應用呼聲最高的技術推手,其設計與雲端伺服器類似,但並非部署於雲端的「某一處」,而是直接部署於生產現場,必須能夠進行即時通訊。此外,霧端伺服器也整合了現場所需的一切條件,包括用於協調其他機器及連線物料搬運技術運作的控制器、大數據的擷取,以及包括軟體升級介面等其他眾多客製化雲端服務。

若全面連線的環境仍將維持此樣貌的話,這些要件是銜接機器與商務 IT 之間的橋樑,同時也是垂直整合的重要推手。就連機器的 GUI也可透過精簡型電腦連線至霧端伺服器並存放於機器中,以供各地的其他使用者存取。如此一來,「上端」和「下端」或者遠端與本機功能之間的界線,將不再一分為二。這就是全面連線工業4.0應用的迷人之處。

即時虛擬機器監控程式是所有任務部署在即時霧端伺服器的首要條件。此監控程式負責在單一內嵌式伺服器上透過虛擬化來安全區隔不同任務,並為生態系統中的每一項元件指派專屬資源。其次,虛擬化的子系統也需要即時同步化。大多數的先進工業 4.0 應用皆需要透過乙太網路實現即時通訊。

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除了閘道橋接功能以外,邊緣及霧端伺服器也負責現場應用程式的全面控制與管理功能

系統內部即時通訊

Real-Time Systems GmbH (RTS) 公司的即時虛擬機器監控程式已廣泛應用於工業自動化,可提供發展即時霧端伺服器所需的必要條件,並順利銜接即時控制基礎架構與雲端服務。目前最新版本為 R5.0.01,可在涵蓋 Intel Atom乃至Intel Xeon的各種處理器平台上運行,並且支援新舊處理器版本,包括第六代和第七代Intel Core處理器(代號Skylake/Kabylake)。

RTS 即時虛擬機器監控程式可允許多個即時作業系統同步運行,如River VxWorks、QNX Neutrino RTOS、Microware OS-9、On Time RTOS-32 及 T-Kernel 或 Windows Embedded Compact。當然,也可在單一x86多核心處理器上執行結合即時與標準版本的多用途作業系統,例如包括Windows 10 IoT在內的Microsoft Windows系列及RedHawk Linux。

無論是哪一種情況,所有虛擬化(即時)系統均為獨立運作,甚至可在不互相干擾或影響其他元件的情況下重新啟動。例如,可使用專為安全性功能設計的Linux防火牆實作一個磁碟分割區,進一步提升安全性。如此一來,不僅可強化硬體,同時也能確保IoT連線子系統的完整性與安全性。

虛擬機器是透過RTS虛擬機器監控程式所提供的虛擬網路進行連線通訊,亦能藉由共用記憶體達到最低延遲。在此共用記憶體區域內,您可以指派個別寫入與讀取權限,以確保只有經授權的OS分割區可進行存取,藉此提高安全性。

RTS虛擬機器監控程式可進一步提供特殊記憶體管理,允許即時作業系統在記憶體內可被任意移動,而不會影響效能。採用硬體式虛擬化技術之後,使用者甚至可任意移動客體機器的作業系統,而這也意味著32位元作業系統將可因應超出理論限制的4GB定址、連結至同一個實體位址的數個作業系統實例,且可在同一系統上以硬式的即時時程,進行同步的確定性運作。

此外,RTS 虛擬機器監控程式還可提供其他安全性,例如啟動、停止或監控個別作業系統的權限管理 API,它不僅是即時工業 4.0 霧端伺服器的理想平台,也適合所有講求確定性、硬體即時運作及/或安全性的內嵌式用途。

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RTS即時虛擬機器監控程式為虛擬機指派硬體資源的專屬存取權限,實現奈秒等級的確定性操作。虛擬機器是透過內建的TCP/IP或透過可發揮最低延遲的共用記憶體進行連線通訊

系統間即時通訊

在為霧端伺服器設計的即時虛擬機器監控技術搭配即時通訊協定(DDS或OPC UA)和支援時效性網路(TSN)的確定性乙太網路時,其他機器的使用者及霧端伺服器能以前所未見的速度與規模,隨時存取最新的機器資料。

此外,RTS也提供專為Windows開發的現成主/從軟體堆疊,符合IEEE 1588精密時間同步協定標準規格。如此一來便可透過霧端伺服器,為乙太網路上的分散式裝置實現高準確度的同步化。標準Intel NIC的最大抖動落在高精準度的奈秒範圍內。這類技術在一年多前便已開始提供給開發人員,供其作為相關軟體與處理器的基礎。

即時伺服器模組

即時霧端伺服器開發人員向來欠缺符合IEEE 1588標準的硬體平台,少了這項技術,便無法以最有效率的方式,調整適用於高效能霧端伺服器的多核心Intel Atom以及Intel Xeon D 處理器,使其滿足特定應用需求。幸好,這個瓶頸終於有所突破──因為COM Express Type 7的接腳佈局(pin-out)率先在標準化的內嵌式模組上提供相容於IEEE 1588的標準10GbE介面。

COM Express Type 7 接腳佈局為內嵌式運算規格開創出嶄新類別:伺服器模組。COM Express Type 7 規格也與標準內嵌式電腦系統所使用的常見 COM Express Type 6 規格不同,省去使用視訊介面的需求,並以32條PCIe通道提升用於大規模儲存、專用顯示卡及額外伺服器介面的數量。以即時虛擬機器監控技術和即時乙太網路通訊,搭配最多能以4個連接埠提供10GbE支援的COM Express Basic模組,將可開發出規格相當於125 x 95 mm伺服器模組的超精簡型霧端伺服器。

支援銅線與光纖纜線

10GbE介面是專為10GBASE-KR單背板通道(另見IEEE 802.3/49)用途而設計,不受限於預定義的實體介面。定義實體傳輸層的PHY並不在模組上,而是必須實作於載板上。唯有實作於載板,才能夠定義資料是要透過銅線或光纖纜線傳輸。若要發揮更高彈性,也可將PHY實作為可交換的SFP+模組,如此便能延後要透過銅線或光纖纜線傳輸至現場設備的決定。

舉例來說,在工業影像處理用途中,想要以高色彩濃度和畫面更新速率傳輸全高清或4K攝影機訊號,就需要仰賴這類高頻寬。此外,將多個10Gbit乙太網路訊號的效能作結合也變得可能,例如可將四個10GBASE-KR線道整合至一個PHY,以便適用40GBASE-KR4。

為確保符合IEEE 1588,COM Express 10GBASE-KR介面的功能集也包含針對四個介面設計的軟體定義接腳。此實體接腳可設定為輸入或輸出,且是由相應的乙太網路控制器控制,如此便可實作符合 IEEE 1588 標準的硬體時間通訊協定,實現高效能即時應用。

此外,伺服器模組也可因應快速儲存媒體的趨勢。由於快速儲存裝置最好一開始就使用搭載 PCIe 技術的非揮發性記憶體 (NVMe) 介面連接,這款全新的模組伺服器支援更多 PCIe 通道,但僅兩個SATA連接埠。在此情況下,便不得不特別介紹全新的Intel Optane 記憶體。

此記憶體搭載 3D Xpoint 技術,提供遠低於 NAND SSD 的延遲率,同時又能處理同樣數量的資料封包。延遲率僅 10μs (標準 HDD 的千分之一),它可以是記憶體,也可以是儲存裝置。康佳特載板現已支援此快速儲存技術,尤其適用於虛擬化、資料儲存、巨量資料處理、醫學影像,以及許多其他用途。

以模組化設計提高應用彈性

此全新模組伺服器的最大優點在於,只需更換 COM Express 模組,就能擴充涵蓋各代處理器插槽的系統,特別有利於支援效能頻寬、可升級性以及長期可用性。比起從頭開始研發專用主機板,電腦模組的另一個優點在於全方位的軟體支援,包括可大幅縮短上市時間、節省開發成本。舉例來說,先進的模組伺服器支援強大的伺服器等級工具,可管理分散式物聯網、M2M 及工業 4.0 應用,適合眾多透過邊緣或霧端伺服器連接的裝置。

若進一步提供伺服器等級的遠端管理技術,並整合板管理控制器和看門狗計時器與電力耗損控制器,則此模組也可用於遠端監控、管理與維護。Type 7模組亦針對此用途所需的頻外管理整合了NC-SI介面,只需在載板上實作相應的板控制器,就能實現搭載頻外管理的高度可靠工業用霧端伺服器。

可預期的發展

康佳特以COM Express Type 7的標準為基礎,推出了兩款伺服器模組平台。這兩款具高度擴充能力的伺服器模組可全面支援RTS虛擬機器監控程式與搭載TSN的確定性乙太網路,且均採無顯示設計(headless),並有各種不同的伺服器處理器版本可供選擇。

採用Intel Atom C3000 處理器的COM Express Type 7模組伺服器conga-B7AC可提供以11瓦開始運作的耗電量,最高支援 16 核心,且最高可提供4個10GbE的即時功能網路效能。其功能集是為模組化工業用微伺服器以及強固型電信及網路設備(例如小型基地台、工廠閘道及儲存系統)所設計,可部署的溫度範圍從-40°C~+85°C。

conga-B7XD 則是專為最高運算需求用途而設計,可支援從16 核心Intel Xeon D-1577到Intel Pentium D-1519的10種不同處理器,以適應工業環境溫度(-40°C 至 +85°C)。在記憶體方面,這兩款模組皆可視客戶需求,提供包含或不含錯誤修正碼(ECC)、最高48GB的超快速2400 DDR4 記憶體。伺服器一般不內建顯示單元,但也因此有利於整體系統的即時能力,因為可更容易確保處理器核心的可確定性。

上述伺服器模組的特殊功能在於conga-B7AC可支援4個10GbE和conga-B7XD具備2個 10GbE的網路效能,且最多可支援 24 個 PCI Express Gen 3.0 通道以及 8 個 PCIe Gen 2.0 通道,實現包含連接快閃記憶體在內的系統擴充能力。一般儲存媒體則是透過2個SATA 6G連線。

其他I/O介面包括4個USB 3.0、4個USB 2.0、LPC (由eSPI 取代,已於COMe 3.0說明)、SPI、I2C匯流排以及2個UART。該模組支援主流Linux發行版以及Microsoft Windows版本的作業系統,包括Microsoft Windows 10 IoT,並以遠端管理技術提供全面性支援。

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康佳特的伺服器模組與散熱器

同一供應商的散熱片

由於伺服器模組功耗最高為65瓦,因此系統開發人員必須從提高可靠性與晶片壽命的角度著眼,提高冷卻效率。高效的冷卻設計也可承受現有的處理器發揮渦輪加速技術以提供額外的運算能力。當處理器維持在足夠冷卻溫度時,便可利用渦輪加速技術使處理器超頻。

為了使開發人員能夠更直接便捷地進行溫度管理,COM Express 規格將導熱片定義為導熱介面。其平坦的表面可整合至工業用霧端伺服器用途,且無需變更機構及/或電子系統架構就能快速完成技術升級,更便於因應晶片製造商瞬息萬變的產品規劃藍圖。

COM Express 3.0 規格也定義 I2C 匯流排,藉此可連接進行全面系統監控的數個溫度感應器。然而,導熱片無法以單一規格一體適用,因此康佳特提供標準化導熱片與散熱片,以滿足各種模組的溫度管理需求。在新伺服器模組的評估方面,康佳特也提供評估開發板。此外,電路圖與佈線均免費提供,可作為自用設計的基礎。

除了上述以硬體為主的支援外,康佳特也針對IoT用途提供韌體與中介軟體支援。此支援預計將以專用的內嵌式物聯網API進一步擴展,為內嵌式硬體提供標準化物聯網介面。如此將可加速正在開發中的工業用物聯網邊緣與霧端伺服器應用。

由於康佳特也提供伺服器模組的客製化服務,因此可迅速實作客戶指定的系統設計。應用程式開發人員能藉由康佳特入門套件立即測試 RTS 虛擬機器監控程式及整個內嵌式韌體與中介軟體,讓初始原型得以隨即用於第一次現場測試,而無需擔心硬體設計細節。