Op zoek naar low-power computers en datacenters

Onlangs is een nieuw Europees onderzoeksproject van start gegaan: Opera. Doel van dit project is om Europa’s ambitie om leiderschap in industriële technologieën voor zogeheten ultra-low power computing hardware en sensoren te borgen. Het Nederlandse Certios is een van de bedrijven die aan deze zoektocht naar low-power servers mee doet. Tweede onderzoeksdoel, zo vertelt Frank Verhagen van Certios in dit artikel, is het ontwikkelen van small form-factor datacenters, oftewel datacenters ‘ter grootte van een schoenendoos’.

Opera wordt gefinancierd via Horizon 2020 (H2020). Dit is een programma van de Europese Commissie waarmee veel innovatieve ideeën en projecten uit Europa en omstreken worden ondersteund. Een onderdeel van dit grote H2020-programma is een specifiek programma of zogenaamde ‘call’. De hier besproken ‘Opera call’ heeft als achtergrond Europa’s ambitie om leiderschap in industriële technologieën voor ultra-low power computing hardware en sensoren te borgen. Deze ultra-low power-technologie wordt ingezet om - binnen een ecosysteem van heterogene apparaten - zogeheten small form factor datacenters mogelijk te maken.

Deelnemende partijen

Begin 2015 is ons bedrijf (Certios) benaderd door de Italiaanse penvoerder van Opera, ST Micro Electronics, met de vraag of wij mogelijkheden zagen om onze inbreng aan het zogenaamde Opera-consortium te leveren. Dit consortium bestaat uit 11 organisaties, bekende en minder bekende, uit verre landen en uit landen dichterbij:

• ST Microelectronics (Italië)
• IBM Science and Technology (Israël)
• NallaTech (UK)
• Hewlett Packard Centre de Competences (Frankrijk)
• Istituto Superiore Mario Boella Sulla Tecnologie Dell’Informazione e Delle Telecomunicazioni (Italië)
• Technion Institute of Technology (Israël)
• Consorzio Per Il Sistema Informativo (CSI Piemonte) (Italië)
• Nevi Technologies (Frankrijk)
• Certios (Nederland)
• Teseo SpA Technologie E Sistemi Elettronici Ed Ottici (Italië)
• Department de l’sere (Frankrijk)

Energie-efficiëntie

Certios (voorheen Cerios Green) houdt zich bezig met het adviseren van organisaties die met vraagstukken zitten op het gebied van het op afstand bewerken, gebruiken en opslaan van data. Omwille van deze rol komen we vaak in of in aanraking met datacenters. Vanwege onze ervaring merken wij snel welke verbeteringen er in deze omgevingen mogelijk zijn en die bevelen we onze klanten vervolgens aan. Deze adviezen hebben vaak betrekking op traditionele ICT-gebieden als kostenreductie, veiligheid en kwaliteitsverbetering.

De aanbevelingen kunnen echter ook betrekking hebben op het bepalen en verbeteren van de energie-efficiëntie van ICT-omgevingen. Deze specifieke kennis rond energie-efficiëntie hebben wij in het nabije verleden onder andere ingezet voor nationale en Europese projecten zoals PEDCA, wat staat voor ‘Pan European Data Centre Alliance’.

Naast advies- en onderzoekswerk zijn wij tevens geaccrediteerd voor het certificeren van datacenters voor de Data Centre Alliance. Het is tegen deze achtergrond dat we het verzoek van ST Micro Electronics voor deelname aan het Opera-project moeten zien.

Doelstellingen

De letters ‘OPERA’ staan voor: lOw Power heterogeneous architecture for nExt generation of smaRt infrastructure and platforms in industrial and societal Applications. Het is uit 57 projectvoorstellen gekozen om de volgende doelstellingen te gaan realiseren:

1. Het ontwerpen van low power (LP) en ultra low power systemen
2. Het verbeteren van de energie-efficiëntie van de systemen door uiteenlopende architecturen te gebruiken
3. Het ontwikkelen van small form-factor datacenters op afstand, oftewel datacenters ‘ter grootte van een schoenendoos’ die voorzien zijn van slimme en energie-efficiënte communicatie om te interacteren met embedded smart systems

De werking van de innovatieve technieken zal worden gedemonstreerd met behulp van prototypes in realistische situaties.

• Schematische weergave van de projectaanpak van Opera
• In de opzet van het projectopzet is er voor gekozen dat met de volgende innovatieve technieken prototypes zullen worden gedemonstreerd:

• 3D geïntegreerde circuits
• ULP-platform
• Herconfigureerbare apparaten
• Field Programmable Gate Arrays (FPGA’s)
• High density mini-servers.

Concrete uitwerking

Wat betekenen de genoemde doelstellingen nu concreet?

1. Ontwerpen van next generation low power (LP) en ultra low power systemen

Het Opera-project zal een aangepast low power-platform opleveren, waarbij hardware en software geïntegreerd zijn. Binnen Opera zal geen nieuwe processor-hardware worden ontwikkeld. De deelnemende partijen zullen hiervoor ieder hun eigen ontwikkelingen inbrengen. Opera richt zich op de integratie van deze onderdelen.

2. Verbeteren van energie-efficiëntie door het gebruiken van heterogene architectuur 

Heterogene computers zijn samengestelde systemen waarin verschillende processorarchitecturen worden samengebracht, met ieder hun eigen voordelen. Ze zijn zo gebouwd dat het uiterste uit de computer kan worden gehaald. De grootste uitdaging zit hier in de besturingssoftware, applicaties en compilers. Veel hedendaagse software is gecompileerd voor één bepaalde architectuur (ISA) en draait op generieke processoren die voor een dergelijke architectuur geschikt zijn. Om echter de voordelen van heterogene computers goed te benutten, zal de applicatiecode opgesplitst moeten worden. Iedere component dient vervolgens op de best passende processorarchitectuur te worden uitgevoerd. Door deze werkwijze wordt een maximale efficiëntie bereikt. Zeg maar: snelheid en energie-efficiëntie.

Deze vorm van code-executie is binnen huidige computersystemen het meest bekend door het gebruik van GPU’s (graphical processing units). Doordat deze GPU’s speciaal ontworpen zijn voor het uitvoeren van grafische bewerkingen worden deze bewerkingen sneller en efficiënter afgehandeld dan wanneer deze door de centrale processor worden behandeld.

Binnen de Opera-prototypes zullen systemen worden opgebouwd waarin het doel niet de absolute snelheid is, maar het binnen een gestelde tijd volbrengen van een taak tegen het laagst mogelijke energieverbruik. Certios zal hier de indicatoren vaststellen waarmee de energie-efficiëntie van de verschillende taken en onderdelen kan worden gerapporteerd en gecontroleerd.

3. Voorzien van energie-efficiënte oplossingen voor de interactie tussen embedded smart systems en small form-factor datacenters op afstand

Naast het realiseren van de hoogst mogelijke energie-efficiëntie in digitale bewerkingen, zal Opera zich ook bezighouden met de efficiëntie van de interactie met de omringende systemen. Veel van het energieverbruik voor deze interacties is gebonden aan netwerkverkeer, in de regel via draadloze netwerken.

Opera beoogt deze communicatie tegen een zo laag mogelijk energieverbruik te laten verlopen. Dat zal onder andere gebeuren door het inzetten van slimme antennetechnologie en het aanpassen van netwerkparameters aan de communicatiebehoefte.

Bijzonder aan het Opera-project tenslotte is dat het niet louter een theoretische exercitie is. Opera zal werkende prototypes opleveren die onder echte (real-life) werkdruk zullen worden getest. Daarbij zal naar zowel werking als efficiëntie met bestaande systemen worden gekeken. De in het project opgedane kennis en ervaring kan daarna dan ook worden ingezet voor drastische energie-efficiëntieverbetering in veel meer (industriële) toepassingen.

Frank Verhagen, directeur Certios