myOPALE : Blocs de construction modulaires pour Edge IA

Lancé en février 2019 lors du salon Embedded World en Allemagne, les blocs myOPALE apportent une technologie véritablement disruptive pour atteindre les objectifs de conception des ordinateurs industriels destinés à des environnements contraints en taille, poids et consommation énergétique (SWaP).

Le concept modulaire myOPALE repose sur quatre principes clés, tous inspirés de standards ouverts ou de facto du marché de l’embarqué.

1. Il supprime le lien mécanique entre le module CPU et les cartes d’E/S grâce à une interconnexion PCI Express Gen3 sur câble.
2. Il utilise un boîtier standard demi-hauteur au format 3U. 
3. L’utilisation de standards d’interconnexion largement déployés par la Storage Networking Industry Association (SNIA), tels que le connecteur Mini-SAS HD (SFF-8644) pour le protocole natif PCIe sur câble, le rend directement compatible avec les nouvelles approches NVMe (Non-Volatile Memory Express) et « just a bunch of drives / just a bunch of flash » (JBoD/JBoF) pour le stockage réseau haute performance (NAS).
4. Enfin, chaque bloc intègre son propre système de refroidissement.

Basé sur une carte porteuse COM Express (COMe), le module myOPALE-CPU (Figure 1) présente des caractéristiques qui étendent son champ d’application au-delà des limites des PC industriels standards, notamment vers des environnements plus sévères tels que la défense, l’aéronautique et la robotique.

ECRIN Systems a qualifié son module CPU pour résister à des chocs de 50 g pendant 11 ms et 40 g pendant 6 ms, à des vibrations jusqu’à 5 g entre 10 et 2 000 Hz, à une plage de température de fonctionnement de –40 °C à +85 °C et à une humidité relative comprise entre 10 % et 90 %, offrant ainsi une solution économiquement compétitive et une alternative robuste aux formats à cartes enfichables coûteux tels que cPCI Serial et VPX dans les programmes aéronautiques et de défense.

Des blocs d’extension d’E/S peuvent être ajoutés aux modules myOPALE-IO existants, capables d’intégrer une carte d’E/S pleine hauteur PCIe Gen3 ×8 ou deux cartes PCIe Gen3 ×4. Nous introduisons deux modules embarqués dédiés à l’intelligence artificielle (IA) et au calcul EDGE.

Aujourd’hui, les processeurs graphiques (GPU) et les réseaux neuronaux constituent la base des plateformes de calcul EDGE de pointe, rapprochant les performances de l’IA et du deep learning accéléré au plus près des capteurs de l’Internet industriel des objets (IIoT), afin d’offrir un traitement en temps réel, une faible latence et une grande précision pour des applications telles que les villes intelligentes et la robotique. Le bloc myOPALE-GPU d’ECRIN Systems (Figure 2) permet l’intégration directe d’un module GPU embarqué au format MXM (Mobile PCI Express Module) sur un adaptateur PCI Mini-SAS HD, éliminant ainsi le connecteur PCIe fragile des cartes PC, héritage du marché informatique traditionnel et source majeure de défaillance dans les PC industriels.

Les modules GPU MXM embarqués offrent une faible consommation d’énergie et constituent les solutions COTS (commercial off-the-shelf) les plus fines disponibles pour le calcul parallèle haute performance exploitant les GPU généralistes (GPGPU). Pour la vidéosurveillance intelligente en ville, le fog computing avec réalité augmentée, l’élargissement du champ de vision pour la logistique intelligente et l’Industrie 4.0 en général, les plateformes NVIDIA GeForce MXM de gamme commerciale basées sur l’architecture Pascal, ainsi que les plateformes RTX-2060 à RTX-2080 basées sur l’architecture Turing, intégrant le ray tracing et le deep learning super-sampling, sont adaptées lorsque les exigences n’incluent ni cycles de vie longs (18 mois seulement), ni traitement massif de données.

Pour les ordinateurs de traitement arrière radar/sonar, les interfaces homme-machine (IHM) de commande/contrôle dans des environnements navals contraints en SWaP, les bancs de test aéronautiques et les systèmes d’échographie médicale, une solution offrant un cycle de vie de cinq ans avec prise en charge des processus de notification de changement produit en fin de vie (PCN) est préférable. Dans ce contexte, les GPU MXM embarqués durcis de la gamme NVIDIA Quadro (Pascal P3000 à Pascal P5000 en version chip-down) fonctionnent de –40 °C à +85 °C et proposent un nouveau mode GPU Direct Remote DMA, facilitant le transfert de grandes quantités de données pour des missions critiques, avec une augmentation de bande passante pouvant atteindre 400 % (de 3 500 Mo/s à 14 000 Mo/s) et une réduction de latence de 500 % (de 100 microsecondes à 20 microsecondes).

L’offre myOPALE-GPU, dont le lancement officiel est prévu en juin lors du Salon du Bourget, présente les mêmes caractéristiques générales que le module myOPALE-CPU : format boîtier 3U, plaque froide ou dissipateur passif selon les conditions environnementales, alimentation exclusivement 12–48 VDC et liaisons PCIe Gen3 ×16 via deux connecteurs Mini-SAS HD. En façade, quatre sorties vidéo sont disponibles si l’utilisateur a besoin d’un affichage GPU (non utilisé pour le calcul massif GPGPU). En connectant un myOPALE-CPU à un myOPALE-GPU, il est possible de construire un ordinateur modulaire IA/HPC hétérogène composé d’un module CPU Intel Xeon quad-cœur et de deux modules GPGPU via deux liaisons PCIe Gen3 ×16. Il est également possible d’utiliser deux CPU et deux modules GPGPU via quatre liaisons PCIe Gen3 ×16 dans un châssis 19 pouces à très faible profondeur de 350 mm ou 450 mm.

Le second module présenté au Salon du Bourget est le myOPALE-mPCIe (Figure 3), un bloc embarqué prêt à intégrer des modules mezzanines d’E/S industriels au format mini-PCIe directement sur un adaptateur PCI Mini-SAS HD, contournant à nouveau le connecteur PCIe fragile des cartes PC.

Dans ce format, de nombreuses fonctions sont disponibles sur étagère, notamment les communications, le réseau, le sans-fil, le bus avionique MIL-STD-1553 et le bus CAN. On trouve également un double processeur de vision Movidius Myriad X (VPU) avec moteur de calcul neuronal pour une intelligence visuelle avancée en périphérie réseau. Il permet de connecter directement des caméras RGB jusqu’en résolution 4K au Myriad X, avec une capacité de traitement du signal image allant jusqu’à 700 millions de pixels par seconde. Le VPU Myriad X est une solution économe en énergie qui apporte des applications avancées de vision et d’IA à des dispositifs tels que drones, caméras intelligentes, maisons connectées, systèmes de sécurité, casques de réalité virtuelle et augmentée (VR/AR) et solutions de perception situationnelle à 360°.

Dans de nombreux cas d’usage, l’intégration de la variante AcroPack développée par Acromag est privilégiée. AcroPack est un module d’E/S durci basé sur le format mPCIe, offrant une densité accrue sur une carte de 95 × 70 mm, permettant de combiner de nombreuses options d’E/S dans un seul bloc. Sa conformité au standard mPCIe et son connecteur orienté vers le bas, acheminant les signaux d’E/S via la carte porteuse sans câblage supplémentaire, améliorent la fiabilité.

Le module myOPALE-mPCIe donne un accès direct aux signaux d’E/S terrain via des connecteurs industriels en face avant, au choix de l’utilisateur. Les modules AcroPack complètent les fonctions mPCIe standards pour offrir des capacités FPGA reconfigurables, des E/S industrielles isolées et des ports série RS-232 octuples. Un module Ethernet Gigabit avec option Power over Ethernet (PoE) est également disponible. Le dispositif PSE fournit 48 VDC jusqu’à 30 W à une caméra vidéo, un téléphone VoIP ou tout autre équipement alimenté, permettant une connexion point à point sans partage de trafic réseau. Le bloc myOPALE-mPCIe, toujours au format boîtier 3U, peut intégrer quatre ou huit modules embarqués mPCIe/AcroPack.

Enfin, grâce à l’utilisation du connecteur standard SNIA Mini-SAS HD (SFF-8644), les blocs myOPALE sont prêts pour le format M.2 et son interface de stockage extrêmement rapide, le SSD NVMe, qui exploite jusqu’à quatre lignes PCIe Gen3 pour offrir une augmentation par cinq des débits de lecture/écriture séquentiels par rapport aux SSD traditionnels basés sur l’interface SATA III (jusqu’à 3 500 Mo/s pour le NVMe, contre 550 Mo/s pour le SATA III). L’adaptateur standard M.2 vers U.2 (SFF-8639) ouvre la voie à l’utilisation de myOPALE avec les nombreuses cartes d’E/S et options de stockage SSD disponibles dans ce nouveau format embarqué compact. Les câbles standards U.2 vers Mini-SAS HD permettent de construire très simplement, en plug-and-play, un enregistreur vidéo embarqué ou un serveur NAS basé sur myOPALE avec stockage NVMe.

Grâce à ces câbles, il est possible de se connecter directement au connecteur U.2 d’un SSD NVMe au format 2,5 pouces ou à un système de stockage NVMe JBoF durci. Trenton Systems propose une solution de stockage JBoF à faible profondeur en rack 19 pouces de 450 mm, intégrant 24 SSD NVMe (soit une capacité totale équivalente à 96 téraoctets avec les SSD NVMe de 4 To actuellement disponibles sur le marché). Les SSD sont regroupés en trois cartouches indépendantes extra-durcies contenant chacune huit SSD NVMe afin de réduire le temps moyen de réparation. Une bande passante record permet d’atteindre 24 Go/s de stockage SAN haute performance. L’architecture PCIe de bout en bout autorise des opérations de lecture/écriture simultanées sur jusqu’à huit disques.

Un succès commercial de myOPALE dans un système d’essais en vol illustre les capacités des blocs lorsque l’empreinte du système est fortement contrainte en SWaP. Un avion d’essais en vol embarque un grand nombre de capteurs répartis dans l’ensemble de l’appareil. Différentes cartes d’E/S relient ces capteurs aux ordinateurs. Après traitement, les résultats des essais sont stockés sur des SSD amovibles pour un traitement par lots et une relecture en station sol.

Dans notre cas, plus de 4 000 capteurs étaient connectés à quatre serveurs informatiques 19 pouces, intégrés dans une baie de 42U, pour un poids total de 280 kg et une consommation électrique élevée. Le riser flexible utilisé pour intégrer des cartes d’extension PCIe n’était pas adapté à l’environnement aéronautique.

Afin de garantir une haute fiabilité et un cycle de vie long, nous avons proposé une pile myOPALE composée de châssis 19 pouces à faible profondeur intégrant deux modules myOPALE-CPU en façade, deux modules myOPALE-I/O à l’arrière et deux SSD dans un tiroir disque accessible par l’avant (Figure 4). La solution finale a été installée dans une baie 19 pouces plus compacte, réduisant le poids à 95 kg, avec une baisse de la consommation énergétique grâce au choix de processeurs Xeon E3-1505L v5 basse consommation. Chaque CPU intégrait deux slots PCIe pour cartes d’extension avec un système de verrouillage.

Une autre mise en œuvre réussie de myOPALE démontre les avantages de l’utilisation de ces blocs pour créer un système complet et autonome. La solution était destinée à un environnement sous-marin, avec un cycle de vie produit évalué à 25 ans. Le client, confronté à une fin de vie non déclarée, recherchait une solution basée sur COM Express, convaincu qu’il s’agissait de la meilleure approche pour assurer la pérennité de l’équipement.

L’équipement à remplacer était un panel PC composé de deux unités remplaçables sur site (LRU) : l’afficheur et le boîtier PC. La configuration était particulièrement complète : processeur Xeon, mémoire ECC, réseau 10 GbE, COMe, deux slots d’extension PCIe pour GPU et deux SSD amovibles. L’épaisseur totale du panel PC était limitée. Dans des conditions environnementales exceptionnelles, le système devait fonctionner à des températures allant jusqu’à 70 °C. Par ailleurs, le client souhaitait valider rapidement son logiciel et disposer d’un prototype en quelques mois.

Dans ce contexte, la conception d’une carte porteuse COMe spécifique sortait du périmètre des contraintes de délai de mise sur le marché, de coûts de développement non récurrents (NRE) et de gestion des risques. Pour répondre aux exigences du client, nous avons proposé une intégration basée sur les modules myOPALE-CPU et myOPALE-I/O. La configuration a été réalisée avec deux modules M.2 fonctionnant sur une large plage de température afin de fournir deux ports GbE supplémentaires et quatre lignes série RS-422/485 (Figure 5).

Sans NRE électronique, avec uniquement un investissement réduit pour la R&D mécanique et la qualification thermique d’un module myOPALE-CPU équipé d’un processeur Xeon E3-1505L v5 de 25 W de TDP dans notre chambre thermique interne à 70 °C pendant trois heures, nous avons relevé le défi du time-to-market du client en moins de quatre mois. Pour les besoins d’intégration logicielle et d’adaptation du BSP (Board Support Package) du système d’exploitation, ECRIN Systems a livré les blocs matériels finaux et les sous-modules intégrés dans un rack 19 pouces en quatre semaines supplémentaires.

Pour toutes questions concernant notre livre blanc myOPALE, vous pouvez nous contacter via notre formulaire de demande.