La comunicazione 5G che supporta requisiti real-time e l’avvento di server edge robusti hanno contribuito ad accelerare la digitalizzazione dell’industria. I server-on-module conformi al nuovo standard COM-HPC rappresentano la soluzione ideale per supportare tale tendenza: grazie al loro design estremamente affidabile possono essere installati all’esterno dei tradizionali data center climatizzati e operare all’aperto e in ambienti di produzione gravosi.
L’obiettivo di IIoT (Industrial Internet of Things) è creare una sorta di “sistema nervoso” digitale che colleghi asset fisici, come gli impianti di produzione, macchine e veicoli di trasporto, con il controllo digitale, la pianificazione delle risorse e i processi logistici. Esso è progettato per consentire un flusso di merci più semplice e flessibile capace di adattarsi alla domanda e un controllo in tempo reale della logistica “just in time”, ovvero basata sul fabbisogno effettivo, che ne consegue. Per tale motivo sono necessarie celle di produzione, robot collaborativi e veicoli autonomi per la logistica in grado di comunicare tra loro su base continuativa, mentre sensori e sistemi di visione hanno il compito di acquisire dati di tutti i tipi che vengono analizzati tramite infrastrutture locali che operano in real time e server edge che sfruttano l'intelligenza artificiale. L'obiettivo è prendere decisioni flessibili e automatizzate per un migliore controllo della produzione, della logistica dei materiali e dei processi di manutenzione predittiva. Nel momento in cui viene creato un “gemello digitale” della fabbrica reale è possibile controllare e ottimizzare la sua efficienza in tempo reale. Occhiali “intelligenti” permettono a personale qualificato di beneficiare del supporto della realtà aumentata, in modo da sfruttare tutte le potenzialità di Industry 4.0 in termini di incremento di flessibilità, efficienza e qualità della produzione.
5G: l'inizio di una nuova era per il settore industriale
Poiché le applicazioni che adottano un approccio basato su Industry 4.0 richiedono la possibilità di trasferire una grande quantità di dati (data throughput) in tempo reale, è necessaria un'infrastruttura di comunicazione capace di assicurare elevate prestazioni. Un obiettivo questo non conseguibile ricorrendo solamente a un'infrastruttura di tipo cablato. L'utilizzo della rete 5G per collegare in tempo reale ciascun dispositivo all'IIoT può senza dubbio contribuire ad accelerare la trasformazione digitale del comparto industriale. Una rete 5G può coprire distante superiori rispetto alle tradizionali WLAN e può essere utilizzata simultaneamente da un numero illimitato di dispositivi, sia mobili sia stazionari, consentendo di tradurre in pratica il concetto di produzione completamente connessa. Oltre ai tempi di risposta estremamente ridotti, dell'ordine del millisecondo, possibili grazie allo slicing della rete (ovvero la suddivisione della banda in funzione delle esigenze), la tecnologia 5G supporta la virtualizzazione per consentire il funzionamento in parallelo di reti indipendenti utilizzando un'unica rete fisica. Un altro aspetto da tenere in considerazione è il fatto che il 5G fornisce l'infrastruttura necessaria per architetture “cloud native” (ovvero concepite espressamente per operare in ambiente cloud) ospitate su server edge operanti in real time (noti anche come server fog) per consentire una comunicazione universale tra i dispositivi.
Le reti di campus 5G private accelerano la trasformazione digitale
Come conferma un recente studio condotto da MarketsandMarkets, la richiesta di reti CAN (Campus Area Network, ovvero reti che si interconnettono in un’area delimitata) operanti nello spettro di frequenza del 5G compreso tra 3,7 e 3,8 GHz è aumentata in modo esponenziale.
I vantaggi sono ovvi: la compatibilità di differenti standard di comunicazione mobile assicura un'elevata protezione degli investimenti e consente di effettuare pianificazioni sul lungo periodo. Nel momento in cui è necessario espandere la rete, il vantaggio più significativo è senza dubbio l'indipendenza delle aziende dai provider di servizi di telecomunicazione. Le aziende, inoltre, sono libere di espandere le loro reti come e quando necessario, oltre a beneficiare del fatto di avere solamente il loro traffico sulla rete. Appare dunque evidente la superiorità di un'infrastruttura “on-premise” (ovvero entro il perimetro aziendale) rispetto all'approccio che prevede il ricorso a una rete mobile pubblica.
La banda di frequenza di 700 MHz delle stazioni base pubbliche garantisce coperture dell'ordine di 15-20 km - sufficienti per un impianto di una Casa automobilistica di grandi dimensioni come nel caso del sito produttivo di VW a Wolfsburg, in Germania. con celle 5G. Tuttavia, le velocità di trasferimento dati che possono raggiungere, comprese tra 100 e 200 Mbps, non sono abbastanza elevate per supportare le innovative applicazioni previste da Industry 4.0 per la produzione digitalizzata. Per contro, le reti di campus 5G private assicurano velocità comprese tra 100 e 200 Mbps (in upstream) e di circa 200-1000 Mbps (in downstream) per cella, mentre la copertura di una microcella 5G è limitata a circa 300 metri, distanza che può aumentare fino a 3 km in condizioni di visibilità reciproca (LoS. Line of Sight). Generalmente, la completa copertura di siti produttivi di grandi dimensioni richiede un certo numero di queste piccole celle, note anche come femtocelle. Piccole e compatte, sono di dimensioni assimilabili a quelle di un laptop da 15” (piccole celle) o di un mini tablet (femtocelle), in questo caso senza la tecnologia server edge integrata. A un maggiore numero di celle installate, corrisponderà un'ampiezza di banda totale disponibile più estesa. Oltre a ciò, la copertura di ciascuna cella può essere ampliata mediante ripetitori a basso costo, in modo da garantire la massima flessibilità in termini di scalabilità di prestazioni e di ampiezza di banda.
Server edge di grande robustezza
Nei casi in cui la tecnologia server edge è direttamente connessa, o addirittura completamente integrata, con l'infrastruttura di accesso radio (RAN - Radio Access Network) delle microcelle 5G, è possibile ottenere prestazioni real-time con la minima latenza. Sia le funzioni dei server edge sia quelle VNF (Virtual Network Function) possono quindi essere fornite insieme su una singola piattaforma hardware, per esempio nella CU (Centralized Unit) 5G attraverso la virtualizzazione della funzione di rete (NFV. Network Function Virtualization). Tuttavia, poiché i requisiti dei server edge 5G possono differire in base all'applicazione, i server-on-module si propongono come una soluzione efficiente per effettuare lo “scaling” delle prestazioni in maniera flessibile. I server-on-module basati sullo standard COM-HPC di PICMG consentono di ottenere prestazioni che finora non è stato possibile conseguire per le installazioni sul campo operanti in ambienti industriali particolarmente gravosi o all’aperto.
I moduli COM-HPC equipaggiati con i processori Intel Xeon D, a esempio, sono disponibili in versioni che prevedono fino a 20 core e 1 TByte di RAM (su un massimo di 8 zoccoli DRAM), oltre a un'elevata ampiezza di banda grazie ai 32 canali PCIe Gen4 e connettività a una velocità che arriva a 100 GbE. Sarebbero dunque necessari solamente cinque moduli server di questo tipo per configurare una prima rete di campus base con server che gestiscono la connessione tra CU e rete core (backhaul) e tra CU e DU (midhaul). In precedenza, sarebbe stato necessario ricorrere a sistemi e rack condizionati, rendendo quindi impossibile posizionare tali server in prossimità delle macchine in un ambiente industriale. Gli attuali moduli COM-HPC, d'altra parte, sono progettati per operare nell'intervallo di temperatura compreso tra -40 e +85 °C, eliminando il ricorso a complesse (e onerose) tecnologie di dissipazione del calore e di condizionamento dell'aria. I processori di questi server, inoltre, possono essere montati su zoccoli BGA, garantendo una protezione ottimale contro sollecitazioni e vibrazioni. Resistenti a polvere e condensazione dell'acqua e adeguatamente protetti contro le variazioni di tensione e le interferenze elettromagnetiche, questi nuovi server possono operare nelle condizioni ambientali più difficili.
Un altro vantaggio significativo dei nuovi moduli processore COM-HPC è l'integrazione nativa di TSN (Time-Sensitive Networking). Ciò consente uno scambio di dati standardizzato in real time e una comunicazione trasparente “end-to-end” dal sensore al cloud utilizzando a esempio OPC UA come protocollo di comunicazione aperto real-time, a patto che sia previsto un adeguato supporto all'interno della logica della rete core 5G. 5G-ACIA (Alliance for Connected Industries and Automation), un gruppo di lavoro di ZVEI, sta sviluppando tutte le specifiche necessarie per quanto concerne la qualità del servizio (QoS), la protezione della rete e l’integrazione di TSN. L'obiettivo finale è consentire comunicazioni isocrone in tempo reale esenti da jitter con tempi di ciclo delle comunicazioni fissi e sincronizzazione mutua in un intervallo compreso tra 100 µs e 2 ms.
Virtualizzazione “cloud native” per applicazioni deterministiche
Nel caso di macchine distribuite connesse a server edge centralizzati attraverso la tecnologia 5G, è possibile sfruttare servizi di bilanciamento e consolidamento dei server per far girare più applicazioni real-time in maniera completamente indipendente e in parallelo su una singola piattaforma server edge. Per implementare ciò, la piattaforma deve supportare la virtualizzazione dei server in tempo reale. L'hypervisor real-time di Real Time Systems, in grado di allocare risorse hardware dedicate ai singoli processi o macchine virtuali per assicurare un comportamento deterministico, rappresenta una valida soluzione. I server-on-module di congatec sono già predisposti per supportare una virtualizzazione dei server di questo tipo, mettendo a disposizione di sviluppatori di applicazioni e integratori di sistemi la base tecnologica per configurare servizi di co-locazione centralizzati operanti in real-time su un singolo server per l’automazione degli impianti, il controllo della produzione o la logistica “intelligente”. Se le reti di campus 5G supportano lo slicing della rete con ampiezza di banda garantita, queste sotto-reti 5G virtuali possono anche essere utilizzate per collegare dispositivi 5G distribuiti in tempo reale.
In futuro, le specifiche dei moduli COM-HPC saranno ampliate al fine di includere la sicurezza funzionale. I moduli potranno così essere impiegati come controllori principali per i robot collaborativi usati in ambito industriale oppure per i veicoli autonomi impiegati in applicazioni di intra-logistica come mezzi di traino, sistemi per il trasporto di pezzi o veicoli per le linee di assemblaggio. Per gli operatori delle fabbriche sarà dunque più semplice soddisfare i requisiti di sicurezza e implementare soluzioni sicure conformi a SIL/ASIL (livelli di integrità della sicurezza) in tempi più rapidi.
Server-on-module COM-HPC per microcelle 5G: un connubio perfetto
I nuovi server-on-module in formato COM-HPC rappresentano un vero e proprio punto di svolta per quanto concerne il design di server edge, aprendo prospettive completamente nuove per la trasformazione digitale della produzione. Ovviamente, dispongono di funzionalità di classe server di elevato livello qualitativo. Nel caso di applicazioni “mission e security critical”, a esempio, prevedono caratteristiche avanzate di sicurezza hardware come Intel Boot Guard, Intel TME-MT (Total Memory Encryption-Multi Tenant) e Intel SGX (Software Guard eXtension). Per garantire le migliori prestazioni a livello RAS (Remote Application Server), i nuovi moduli supportano funzioni di gestione dell'hardware remote come IPMI e Redfish, che sono definite da una specifica PICMG che assicura l’interoperabilità di tali implementazioni. congatec mette inoltre a disposizione una gamma completa di servizi per sviluppi di sistemi individuali e implementazioni personalizzate che spazia dalla formazione per la progettazione di sistemi conformi a COM-HPC al supporto personalizzato per l’integrazione fino ad arrivare al collaudo di conformità per progetti di schede carrier custom.
