Contemporary Amperex Technology Co., Ltd. (CATL) ist ein bekanntes chinesisches Unternehmen, das weltweit führend ist in der Forschung und Entwicklung sowie Fertigung neuer Energien und sich darum bemüht, die Produktivität im Rahmen ihrer sich entwickelnden Strategie für digitale und intelligente Fertigung zu verbessern. Im Rahmen der Umsetzung dieser Strategie spielt das auf SAP HANA, einer leistungsstarken In-Memory-Datenbank, basierende Manufacturing Execution System (MES) eine wichtige Rolle bei der Echtzeiterfassung von Daten und Qualitätskontrolle in seinen Fertigungslinien. Wachsender Druck auf die Produktionskapazität brachte neue Herausforderungen an die Verarbeitungslatenz und Zuverlässigkeit des Systems mit sich, sodass CATL eine effizientere Datenverarbeitung und Speicherlösung zur Verbesserung der Leistung seiner MES-Infrastruktur benötigte.
Dank der intensiven Zusammenarbeit mit Intel konnte CATL diese Herausforderungen durch Einführung der neuesten skalierbaren Intel® Xeon® Plattform auf Basis des skalierbaren Intel® Xeon® Prozessors der 2. Generation bewältigen. Die Plattform bietet sowohl einen Prozessor, der die Rechenleistung steigert, als auch persistenten Intel® Optane™ Speicher mit revolutionärer Arbeitsspeicher- und Datenspeicherarchitektur, fast DRAM-Leistung und Datenpersistenz sowie optimale Kosten und Kapazität. Damit schuf CATL eine neue Grundlage für die zentrale In-Memory-Datenbank des MES. So wurden nicht nur Leistungsengpässe beseitigt, die bei der Verwendung massiv großer temporärer Dateien bei hochgradig konvergenten I/O-Operationen schnell mit Festplatten arbeiteten, sondern auch die Zeiten beim Neustart oder primären Standby-Switch stark verkürzt. Dadurch konnten die Produktionslinien von CATL mit minimalem Ausfallzeiten und hoher Effizienz betrieben werden. So ist dem Unternehmen eine Erweiterung der Produktionskapazität und ein Ausbau der Marktführung von CATL im Bereich Energie und Smart Manufacturing gelungen.
MES dient als ‚zentrales Nervensystem‘ für unsere Fertigungslinien in der intelligenten Fertigung. Seine Leistungsverbesserungen sind definitiv von entscheidender Bedeutung für höhere Produktivität und Leistung. Die Einführung des persistenten Intel Optane Speichers half bei der Beseitigung einer Reihe von Leistungsengpässen im MES. Das ähnelt dem Aufbau von stärkeren ‚Synapsen‘ im ‚zentralen Nervensystem‘ unserer intelligenten Fertigung und schafft in Zukunft eine noch solidere Grundlage für unsere wachsenden Produktions- und Geschäftsabläufe.“ – Lai Tengfei, Manager, Processes, IT Architecture and Solutions Department, Contemporary Amperex Technology Co., Ltd.
Zwei Modelle für neue Energien und intelligente Fertigung
Als weltweit führendes Unternehmen in den Bereichen neue Energien und intelligente Fertigung hat CATL seine leistungsstarken Lösungen für umweltfreundlichen Transport und saubere Energie auf Basis seiner fortschrittlichen Batterietechnik weithin Anerkannung gefunden. Nur im Jahr 2018 wurde CATL in „2018 Forbes China 50 Most Innovative Enterprises“ aufgenommen und auch in einer CCTV-Dokumentarserie namens Da Guo Zhong Qi 2: Neng Yuan Pian („Die Säulen eines großen Macht II: Energie“) vorgestellt.
Solche beeindruckenden Leistungen wurden durch die wichtigsten Stärken von CATL wie seine starken F&E- und Fertigungskapazitäten sowie das leistungsstarke Informationssystem möglich, das speziell für die intelligente Fertigung entwickelt wurde. Nehmen Sie die zentrale Zellenfertigungslinie des Unternehmens als Beispiel. Sie erlaubt Automatisierung, Informatisierung und Intelligentisierung im gesamten Fertigungsprozess mit einer Reihe von Top-down-Systemen und Plattformen, wie ERP, MES, Prozesssteuerung und -verwaltung sowie ein Fertigungs- und Kontrollnetzwerk für Zellen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Insbesondere ist MES eng mit den Daten aus über 3.000 Faktoren der Qualitäts- und Sicherheitskontrolle in Dutzenden von Fertigungsprozessen der Zellfertigungslinie verbunden. Er erfasst schnell und präzise Echtzeitdaten aus der Fertigungslinie für Steuerung, Verwaltung und Analyse. Dies wiederum ermöglicht eine Verwaltung von Fertigung, Qualitätskontrolle, Chargen und Rückverfolgbarkeit.
Abbildung 1: Das intelligente digitale Fertigungssystem, das Zellfertigungslinien von CATL unterstützt
Um sicherzustellen, dass MES eine ausreichende Echtzeitverarbeitungskapazität für Daten hat, begann CATL vor einigen Jahren mit der Einführung verschiedener Online Transaction Processing (OLTP)-Datenbanken, insbesondere mit der In-Memory-Datenbank-Lösung. Da die neuen Energieprodukte von CATL eine weitere Marktdurchdringung erbrachten, sorgte das schnelle Wachstum der Geschäfte für einen noch größeren Bedarf an Fertigungskapazitäten. Auch wurde eine leistungsstarke und latenzarme Datenverarbeitung zunehmend wichtiger. Unter diesen Umständen kam CATL durch Analyse und Schätzung zu dem Ergebnis, dass „die Produktionskapazitäten innerhalb kurzer Zeit um weitere 50 % erhöht werden müssen, um den Marktbedarf zu erfüllen“.1 Eine so große Steigerung der Fertigungskapazität bedeutete noch ein schmaleres Fenster, jede Fertigungssitzung für das IT-System offen ließ. Testdaten zeigten, dass die IT-Systeme von CATL nur 3 Sekunden für alle Operationen zur Durchführung von Produktionsabläufen und Prüfung der Produktqualität hatten und nur ein Fenster von 100 ms für die Back-End-Datenbankoperationen zur Verfügung gestellt werden konnte. 2
Die Steigerung der Leistung oder Reduzierung der Betriebslatenz waren nicht die einzigen Herausforderungen, die mit der zentralen Datenbank von CATL verbunden waren; Zuverlässigkeit war ein weiteres Problem. Weil das System eine riesige Datenflut verarbeiten muss – jeden Tag werden 100 bis 200 Millionen neue Einträge zu jeder Datentabelle hinzugefügt und insgesamt 1 Milliarden Einträge allen Tabellen hinzugefügt; zudem werden über 10 Milliarden Berechnungen gleichzeitig durchgeführt. 2 Bedarf nach extrem niedriger Verarbeitungslatenz, massive Berechnungsvolumen, Druck auf die Speicherkapazität und die Notwendigkeit, die Integrität kritischer Daten zu gewährleisten, brachten strenge Anforderungen an die Leistung und Zuverlässigkeit der MES-Infrastruktur mit sich. CATL benötigte modernere Datenverarbeitungs- und Speicherlösungen, die mit der Art und den Anforderungen von In-Memory-Datenbanken kompatibel sein würden.
Nach Ermittlung dieser Anforderungen und Herausforderungen gingen CATL und Intel eine einge technische Zusammenarbeit in verschiedenen Bereichen ein, die darauf abzielte, aus den fortschrittlichen Produkten und Technologien von Intel eine leistungsfähige Lösung zu machen. Unter Berücksichtigung sowohl des Berechnungs- als auch Speicherbedarfs wählte CATL schließlich die skalierbare Intel Xeon Plattform auf Basis des skalierbaren Intel Xeon Prozessors der 2. Generation mit persistentem Intel Optane Speicher. Der Intel® Xeon® Platinum 8280 Prozessor, das Fundament der Plattform, hat eine Taktfrequenz von 2,70 GHz, 38,5 MB Cache, 28 Kerne, 56 Threads und 3 Ultra Path Interconnect (UPI)-Verbindungen, um eine bessere und leistungsfähigere parallele Berechnung für die In-Memory-Datenbank zu erlauben. Außerdem unterstützt der Prozessor bis zu 6 High-Speed-Memory-Kanäle für die Kommunikation mit Speichersubsystemen wie DRAM und persistentem Intel Optane Speicher, wodurch auf Basis der In-Memory-Datenbank bahnbrechende Leistung im MES von CATL möglich.
Persistenter Intel Optane Speicher beseitigt den MES-Speicherengpass
Es besteht kein Zweifel daran, dass die neue Plattform von CATL enorm viel Leistung und Funktionalität bietet, aber wie funktioniert das? Um diese Frage zu beantworten, müssen wir uns zunächst SAP HANA ansehen, die leistungsstarke In-Memory-Datenbank, die CATL für sein MES-System verwendet. Der größte Engpass bei allen Verbesserungen der Leistung der In-Memory-Datenbank ist die Effizienz von Umwandlungsoperationen – während die Daten in der In-Memory-Datenbank normalerweise in Spalten gespeichert werden, eignet sich zeilenbasierter Speicher besser zur Optimierung der Effizienz, wenn das MES die OLTP-Analysen implementiert. Daher müssen eine Vielzahl von Interoperationen zwischen In-Memory- und On-Disk-Datenbanken für die Zeilen-/Spaltenumwandlung, Protokollsynchronisierung und andere Aufgaben durchgeführt werden. Alle In-Memory- und On-Disk-Datenbanken müssen auf „Pausieren“ gesetzt werden, während diese Operationen durchgeführt werden. Anders gesagt: Wenn diese „write temp data to disk“-Operationen schneller ausgeführt werden können, haben sie weniger Auswirkungen auf das System und leisten größere Beiträge zur Leistungsverbesserung.
Um einen Verlust von Daten bei Stromausfällen und anderen Vorfällen zu verhindern, schreibt CATL außerdem alle 5 Minuten sämtliche Daten aus der In-Memory-Datenbank in die On-Disk-Datenbank. Dabei kommt die Save Point-Funktion zum Einsatz. Darüber hinaus führen strenge Zellfertigungsspezifizierungen und Systemwiederherstellungsanforderungen dazu, dass die massiven Protokollvolumen, die in Produktionslinien generiert werden, in Echtzeit auch in die On-Disk-Datenbank geschrieben werden.
Abbildung 2: Verkürzung der „Disk-Write“-Time verbessert die Gesamtleistung des Systems.
Im MES von CATL müssen alle diese Operationen priorisiert und konsistent gehalten werden, sodass einige Operationen unweigerlich miteinander in Konflikt geraten. Beispielsweise muss die Save Point Funktion in der Warteschlange warten, wenn das System gerade Datenzusammenführungsoperationen ausführt. Daher ist es schwierig, die Gesamtleistung des Systems zu verbessern. Die beste Möglichkeit, um dies zu ereichen, besteht darin, die „Disk Write“-Time zu beschleunigen (wie in Abbildung 2 dargestellt).
Die SAP HANA In-Memory-Datenbank, die von MES von CATL verwendet wird, basiert auf einer Speicherarchitektur mit ausschließlich DRAM, während die On-Disk-Datenbank in der Regel auf NAND-basierten NVMe oder SAS Hochgeschwindigkeits-SSDs (Solid-State-Laufwerke) eingesetzt wird. Die Speicherlatenz des letzteren ist in der Regel tausend Mal höher als die des vorigen. Wenn Daten also zwischen der In-Memory-Datenbank und der On-Disk-Datenbank übertragen werden, werden Verbesserungen in der MES-Leistung aufgrund der I-/O-Leistungslücke zwischen DRAM und SSDs zurückgehalten. Um die Lücke zu füllen, musste CATL ein Speicherprodukt mit nahezu DRAM-Leistung für sein MES finden.
Der persistente Intel Optane Speicher mit 3D XPoint™ Speichermedien ist eine Revolution in der Arbeits- und Datenspeicherarchitektur. Er hat alle Kästchen für CATL abgehakt. Mit der einzigartigen Medientechnik ist er viel schneller als die herkömmlichen NAND-SSDs. Und der fortschrittliche Speichercontroller des Systems, die Schnittstellen-Hardware und die Software-Technik lassen ihn mehr leisten bei niedriger Latenz, hoher I/O und hoher Stabilität. Je nach Anwendungsszenarien kann er im Memory Mode verwendet werden, um den flüchtigen Speicher mit größerer Kapazität und niedrigeren Kosten zu bieten oder im App Direct Mode einen Speicherpool mit größerer Kapazität und Datenbeständigkeit zu erstellen.
Abbildung 3: Zugriff auf Latenz verschiedener Speichergeräte.
Wie in Abbildung 3 angegeben, sind der Zugriff auf die Latenz und andere wichtige Leistungsindikatoren des persistenten Intel Optane Speichers nahe DRAM. Seine Kapazität und Datenpersistenz – oder Nichtflüchtigkeit – unterliegt herkömmlicher DRAM. Das bedeutet, dass wenn das MES von CATL den persistenten Intel Optane Speicher im App Direct Mode als Festplattenspeicher verwendet, wird die „Disk Write“-Time, die für die Ausführung von Data Merge, Save Point und Log-Funktion benötigt wird, erheblich reduziert, was die Gesamtleistung des MES-Systems verbessert.
Die Datenpersistenz, die der persistente Intel Optane Speicher bietet, verkürzt auch die MES-Neustartzeiten. Vor jedem MES-Update müssen Terabytes von Daten von der In-Memory-Datenbank auf die Festplatte geschrieben werden. Sobald das Update abgeschlossen wurde, müssen alle Daten von der Festplatte zurück auf den Speicher geschrieben werden. Vor der Einführung des persistenten Intel Optane Speichers konnte der gesamte Prozess Zehntausende Minuten dauern, während derer die Produktion angehalten wurde. Seit der Einführung des persistenten Intel Optane Speichers dauert der Prozess jetzt nur 5-10 Minuten.2 Die Produktionslinien können jetzt MES während einer Routineschicht durchführen.
Um die Systemzuverlässigkeit zu verbessern, baute CATL auch einen umfassenden Active-Standby-Schaltermechanismus für die MES auf, um durch Stromausfälle, Ausfallzeiten und andere Vorfälle vor Produktionsunterbrechungen zu schützen. In der Vergangenheit konnte der Active-Standby-Schaltermechanismus Zehntausende Minuten dauern. Aber jetzt ermöglicht der Bereitschafts-Host mit dem persistenten Intel Optane Speicher im Speichermodus als skalierbarer Speicher mehr I/O verbesserte Workloads, da seine Speicherkapazität größer wird, wodurch die Schaltungen deutlich beschleunigt werden.
Produktionstest nahezu in Echtzeit: erhebliche Leistungsverbesserung mit der neuen Lösung
Um die Leistungssteigerungen zu validieren, testete und bewertete die neue skalierbare Intel Xeon Plattform, insbesondere der persistente Intel Optane Speicher, der in die In-Memory-Datenbank, CATL, gebracht wurde, mit Intels Support, die Leistung dieses neuen Produkts in Szenarien wie Data Merge, Save Point und System-Neustart. Die Ergebnisse bieten echte und effektive Daten für CATL, um die MES-Architektur bereitstellen und Produkte für das laufende Geschäftswachstum in Zukunft zu wählen.
Um Testszenarien näher an der realen Produktion einzurichten, war es für CATL sehr schwer, die Testprozesse und Druckmodelle auf Basis der bestehenden Produktionslinien zu entwickeln. Für den simulierten Zellproduktionstest wurden 2 Front-End-Anwendungsserver mit jeweils 20 gleichzeitigen Endgeräten eingesetzt. Eine Latenz von 100 ms wurde zwischen gleichzeitigen Prozessen und zusammengesetzte Datenbankoperationen wie erstellen, löschen oder ändern simuliert.
Die Tests in verschiedenen Szenarien ermöglichten es beiden Parteien, die Leistung des persistenten Intel Optane Speichers, die auf MES auf Basis der In-Memory-Datenbank ausgeführt werden, vollständig zu bewerten. Nehmen Sie den Data Merge Test als Beispiel, der Vergleich der normalisierten Ergebnisse, wie in Abbildung 4 gezeigt, zeigt, dass der persistente Intel Optane Speicher bis zu 6,2-mal schneller ist als die herkömmlichen SAS-Highspeed-SSDs.3 Dies bedeutet, dass Disk-Write-Times des MES verkürzt werden, wodurch ein Systemhalt aufgrund von Konfliktoperationen erheblich reduziert wird.
Abbildung 4: Vergleich der normalisierten Ergebnisse für Data Merge Leistungstests.
Fazit und Ausblick
Die Zusammenarbeit über die neueste skalierbare Intel Xeon Plattform und der persistente Intel Optane Speicher fingen insbesondere CATL und die langfristige strategische Zusammenarbeit von Intel bei der intelligenten Fertigung gut an. Dieses innovative Speicherprodukt zeigt, dass es dabei helfen kann, dem MES von CATL dabei zu helfen, seine vorherigen Engpässe zu überwinden, die durch eine unzureichende Festplattenleistung verursacht wurden und die Produktionskapazität von CATL durch Innovationen in der IT-Infrastruktur zu steigern.
CATL plant jetzt auch, den persistenten Intel Optane Speicher auch in sein leistungsstarkes Offline-Analysesystem einzuführen. Daher kann es Produktionsberichte mit allen relevanten Informationen aus massiven historischen Daten innerhalb von wenigen Sekunden generieren, wodurch eine effizientere Entscheidung und Analyse möglich ist. CATL untersucht auch die Möglichkeit, wie es die skalierbare Intel Xeon Plattform mit integrierter KI-Beschleunigung verwenden kann, um KI-Anwendungen zu implementieren, um die Inspektion und andere Szenarien zu erkennen. Dadurch hofft CATL, mehr „intelligente DNA“ in die Fertigung mit Digitalisierung und Automatisierung einzusetzen.
Lösungsvorteile von CATL:
- Der persistente Intel Optane Speicher im App Direct Mode hilft dem MES von CATL die Gesamtleistung des Systems durch effektive Reduzierung der „Disk Write“-Times zur Ausführung von Data Merge, Save Point und Log-Operationen zwischen der In-Memory-Datenbank und dem persistenten Speicher zu erhöhen
- Im App Direct Mode nutzt der persistente Intel Optane Speicher seine Datenpersistenz, um Neustarts von MES auf Basis der In-Memory-Datenbank zu beschleunigen und die Ausfallzeit der Produktionslinie zu minimieren.
- Im Memory Mode dient der persistente Intel Optane Speicher als skalierbarer Speicher für den Bereitschafts-Host der In-Memory-Datenbank des MES, wodurch die Schaltzeit zwischen aktiven und Bereitschafts-Hosts des MES reduziert und die hohe Systemzuverlässigkeit gewährleistet wird.