5-2015

Industrie-PCs/Embedded

Industrie-PCs/Embedded Systeme High-Performance Computing für die Industrie 4.0 Mit der Industrie 4.0 steigt der Bedarf an Rechenleistung innerhalb der Maschine, gewöhnliche Industrie-PCs geraten oft an ihre Grenzen. Bewährte Konzepte aus anderen Bereichen, wie der Servertechnik oder der Bildverarbeitung, bieten Lösungen. über eine parallele Verarbeitung schnell bewältigen. „Auch wenn der Anlagenbauer eine andere Sprache spricht und andere Aufgaben und Probleme hat wie ein IT-Ingenieur – die Idee des High- Performance Computing kann auf die Anlagenebene übertragen werden“, so Ioannis Armenis. „Bislang steht dem Leistungshunger allerdings die Industrietauglichkeit entgegen, Entwickler hatten die Wahl zwischen robuster Hardware oder höchster CPU-Power. Mit unserer HPC-Serie verbinden wir beide.“ In einer Firma mit Produktionsanlagen befindet sich auf verschiedenen Ebenen eine jeweils spezifische Computing-Infrastruktur: Auf dem untersten Level sitzen die Sensoren, die über Profibus oder ähnliche Feldbussysteme angesprochen werden. Kleine Industrierechner bündeln die Daten und leiten sie zur Verarbeitung an die Ebene der Maschinensteuerung mit SPS und leistungsstärkeren Industrierechner-Systemen weiter. Zusammenführung zweier Welten Je intelligenter die Anlage oder Maschine wird – also je konsequenter Industrie 4.0 umgesetzt wird – umso mehr Sensordaten müssen möglichst in Echtzeit erfasst, gespeichert, weitergeleitet, bewertet und verarbeitet werden. Denn bei der Steuerung einer Produktionsanlage zählen Sekundenbruchteile, Verzögerungen durch die Datenverarbeitung sind nicht akzeptabel. „Das heißt, die Rechenpower, die bislang nur auf Serverebene zu finden ist, muss jetzt anlagennah erbracht werden“, erklärt Ioannis Armenis, Geschäftsführer bei Ino- Net Computer. „Das ist allerdings eine vollkommen andere Welt: In der Serverwelt bestehen andere Umgebungsbedingungen mit vollklimatisierten Serverräumen. Dank Virtualisierung ist die Hardware hier zweitrangig, ein Servermodell kann schon nach einigen Monaten andere Chipsätze enthalten, was hier auch überhaupt keine Rolle spielt. Ganz anders im industriellen Umfeld: Hier sind Langzeitverfügbarkeit mit strenger Revisionkontrolle und zuverlässiger, wartungsfreier 24/7-Betrieb ein Muss. Diese beiden Welten waren bislang vollkommen getrennt. Doch im Zuge von Industrie 4.0 benötigt man auf Maschinenebene die Rechenleistung der Leitebene – allerdings mit Industriefeatures. Das nennen wir High-Performance Computing (HPC).“ HPC für die Industrie In der klassischen Serverwelt bewältigt man mit HPC extrem leistungshungrige Rechenoperationen. Eine komplexe Aufgabe wird dazu in kleine Pakete zerlegt und von einem Supercomputer erledigt oder auf einen großen Verbund einzelner Computer verteilt, die gemeinsam die Lösung erarbeiten. Dadurch addiert sich die Leistung der einzelnen Rechner bzw. Recheneinheiten, und das Ergebnis liegt schneller vor. Das Geniale an diesem Ansatz: Extreme Datenmengen lassen sich Embedded-Core-Farm für rechenintensive Anwendungen Knackpunkt leistungsfähigerer CPUs ist deren Stromaufnahme und die damit einhergehende Notwendigkeit zur Kühlung. Zudem sind ab einem bestimmten Punkt auch schnellere CPUs nicht mehr performant genug. In rechenintensiven Applikationen, etwa in der Bildverarbeitung, nutzt man dann die parallele Rechenleistung von Grafikkarten und deren Vielzahl an Graphic Processing Units (GPUs). Davon profitieren auch Rechenzentren: Hier sind es keine grafische Concepion-hX: Der passiv gekühlte High-Performance Embedded-PC von InoNet ist für den Dauerbetrieb bei Umgebungstemperaturen bis 50 °C ausgelegt. 10 PC & Industrie 5/2015

Industrie-PCs/Embedded Systeme Mayflower-HPC-I: Mit neuen Intel-Xeon-Prozessoren sind die 19-Zoll-Systeme aus der HPC-Familie von InoNet auch anspruchsvollsten Aufgaben gewachsen. Algorithmen, sondern Rechenaufgaben, die parallel auf tausenden weniger performanten Kernen bearbeitet werden. Die GPU übernimmt dabei die rechenintensiven Teile der Anwendung, während der übrige Code weiterhin auf der CPU läuft. Was macht die GPU so besonders, worin besteht der Unterschied einer Verarbeitung mit GPU und einer CPU? Die CPU ist auf die serielle Verarbeitung aufeinanderfolgender Daten optimiert. Sie besteht intern aus wenigen, aber sehr leistungsstarken Recheneinheiten (Cores). Die Stärke der GPU hingegen liegt darin, dass sie mehrere Aufgaben gleichzeitig in ihren vielen kleinen Recheneinheiten erledigen kann. „Wenn beispielsweise die visuelle Inspektion zur Qualitätssicherung plötzlich inline, d.h. innerhalb einer laufenden Fertigungslinie, laufen soll, spielt die Grafikkarte eine tragende Rolle. Auch wenn man es nicht so nennt, hier findet industrielles GPU-Computing statt“, erklärt Ioannis Armenis. „In Analogie zum High-Performance Computing mit Serverfarm könnte GPU- Computing den HPC-Gedanken in die Maschine tragen. Damit stünde einer Vielzahl an Prozessen nicht mehr eine Menge einzelner Rechner, sondern lediglich Kerne gegenüber. Eine solche ‚Core-Farm‘, etwa für Sensoren, öffnet die Türen zu ganz neuen Geräteklassen. So wird eine schlankere IT-Infrastruktur möglich, mit weniger Hardware lässt sich ein schnellerer und effizienterer Output erzielen. Für Maschinen- und Anlagenbauer bedeutet das Zeit- und Kostenersparnis sowie eine Steigerung der Produktivität.“ Von der Theorie in die Praxis Als Anbieter von kundenspezifischen Industrie-PCs und Embedded-Systemen gehören Netzwerkund Rechnertechnik zu den Kernkompetenzen von InoNet, hinzu kommt langjährige Erfahrung in der industriellen Bild- und Videoverarbeitung. InoNet Geschäftsführer Ralph Ostertag erläutert: „Da wir beide Sprache sprechen – sowohl die der IT als auch die der Maschinen- und Anlagensteuerung – können wir moderne Technologien mit industriellen Standards in Einklang bringen. Daraus entstand als industrielle Plattform die HPC-Serie.“ Die Systeme sind als Single- und Dual-XEON-Varianten mit bis zu acht Kernen pro Prozessor erhältlich. Mit maximal 128 GB Multichannel-Arbeitsspeicher verarbeiten die Rechner große Datenmengen in hoher Geschwindigkeit. „Das bedeutet: Empfangen der Daten, Verarbeiten und Versenden in harter Echtzeit“, so Ostertag. Weitreichendes Rechner-Ökosystem „Wichtiger als das einzelne Gerät ist das umfassende Rechner-Ökosystem“, betont Ralph Ostertag. „Denn im Maschinen- und Anlagenbau kommt zur Rechnertechnologie das Prozessdesign. Deshalb entwickeln wir zusammen mit unseren OEM-Kunden auf allen Computing-Ebenen Systeme, die entsprechend der Applikation kundenspezifisch ausgerüstet und gefertigt werden. Dabei kombinieren wir unterschiedliche Technologien verschiedener Hersteller und ggf. eigens entwickelte Komponenten zu einem passgenauen Produkt.“ Für die Umsetzung profitieren OEMs von der engen Zusammenarbeit von InoNet mit Intel und Nvidia, die beide den Industriemarkt für sich entdeckt haben und mit langlebigen und langzeitverfügbaren Produkten bedienen. Komplettes HPC-Portfolio InoNet bietet ein komplettes horizontales Portfolio für viele Anwendungsgebiete in Anlagen und Maschinen. Es umfasst sowohl 19-Zoll- Systeme mit Xeon-Prozessoren, vollständig industrieharten Komponenten und leistungsfähigen Erweiterungssteckplätzen als auch aktiv und passiv gekühlte Kompaktsysteme mit Intel-Core-Prozessoren Ioannis Armenis, Geschäftsführer InoNet Computer GmbH für den Embedded-Bereich, unter anderem mit VESA oder Wandhalterungen für platzkritische Anwendungen. Die 19-Zoll-Systeme haben bis zu fünf gleichzeitig betriebene PCIe- Erweiterungs-Slots der dritten Generation. Damit kann man an ein einziges System mehrere Frame Grabber für je 16 Kameras anschließen. Auch die Embedded-Modelle der HPC-Serie können über bis zu vier PCIe-Steckplätze zu hochspezialisierten Industrierechnern aufgerüstet werden. Solche Systeme sind derzeit als Oberflächen-Inspektionssysteme im Einsatz. Sie enthalten Motion-Control- und Frame-Grabber-Karten, die gleichzeitig Kameras und Greifarme steuern. „Mit diesem Angebot sind wir bereits vor zwei Jahren auf den Markt gekommen – damals wurde vielfach noch nicht verstanden, welchen Anwendungsbereich solche Systeme bedienen. Heute sind wir in der erweiterten Markt-Öffnungsphase, in der wir immer noch Pionierarbeit leisten: Einige unserer Kunden sind in verschiedenen Industrie-4.0-Forschungsgruppen aktiv. Wenn wir sie darauf ansprechen, dass wir bereits über ein vollständiges Industrie-4.0-Portfolio verfügen, ist das ein echter Augenöffner“, schildert der Ino- Net-Geschäftsführer. „Doch immer mehr unserer Kunden fragen inzwischen auch aktiv nach und fordern uns heraus. Wir sehen heute schon viele extrem spannende Projekte, und so sind wir uns sicher, dass der Markt auf dem Weg zur Industrie 4.0 schon in den nächsten zwei Jahren immense Fortschritte machen wird – machen muss“, so die Prognose Ostertags. • InoNet Computer GmbH www.inonet.com Ralph Ostertag, Geschäftsführer InoNet Computer GmbH PC & Industrie 5/2015 11