Contemporary Amperex Technology Co., Ltd. Dans le cadre de sa stratégie évolutive de fabrication numérique et intelligente, (CATL), grande entreprise chinoise et leader mondial dans la recherche et développement et la production de nouvelles énergies, s'est efforcé d'améliorer la productivité. Dans la mise en œuvre de cette stratégie, son logiciel de pilotage de la production (MES) basé sur SAP HANA, une base de données en mémoire aux performances élevées, joue un rôle essentiel dans la collecte de données en temps réel et le contrôle de la qualité sur ses lignes de production. La pression croissante sur la capacité de production a imposé de nouveaux défis en matière de latence de traitement et de fiabilité du système. CATL avait donc besoin d'une solution de traitement et de stockage de données plus efficace pour améliorer les performances de son infrastructure MES.
Grâce à sa collaboration très étroite avec Intel, CATL a pu introduire la toute nouvelle plateforme Intel® Xeon® Scalable basée sur le processeur Intel® Xeon® Scalable de 2ᵉ génération pour relever ces défis. La plateforme offre à la fois un processeur qui améliore les performances de calcul et la mémoire persistante Intel® Optane™ dotée d'une architecture de mémoire et de stockage révolutionnaire, des performances proches de la DRAM, une persistance des données ainsi que des coûts et des capacités optimaux. Grâce à cette solution, CATL a pu construire une nouvelle base pour la base de données en mémoire centrale de son MES. Cela a permis d'éliminer les goulots d'étranglement des performances de la base de données, dus à l'interaction rapide des fichiers temporaires massifs avec les disques durs au cours d'opérations d'E/S hautement simultanées, mais aussi de considérablement réduire le temps de redémarrage ou de mise en veille primaire. Les chaines de production de CATL sont donc devenues plus rentables, avec des temps d'arrêt minimes. L'entreprise a ainsi pu développer davantage sa capacité de production et renforcer son leadership dans les secteurs de l'énergie et de la fabrication intelligente.
Le MES fonctionne comme le « système nerveux central » de nos chaines de production pour la fabrication intelligente. Il est vraiment essentiel d'améliorer ses performances pour augmenter la productivité et obtenir un meilleur rendement. Introduire la mémoire persistante Intel Optane a permis de résoudre bon nombre de problèmes de performance du MES. Cela s'apparente un peu à la construction de « synapses » plus robustes dans le « système nerveux central » de notre fabrication intelligente, et jette des bases encore plus solides pour augmenter notre production et de nos activités commerciales à l'avenir. » - Lai Tengfei, chef du département Processus, architecture et solutions informatiques chez Contemporary Amperex Technology Co., Ltd.
Doubles modèles dans les secteurs des énergies nouvelles et de la fabrication intelligente
CATL, entreprise leader dans les secteurs des énergies nouvelles et de la fabrication intelligente dans le monde, a été largement reconnue pour ses solutions hautes performances de transport écologique et d'énergie propre basées sur sa technologie de batterie avancée. Rien qu'en 2018, CATL a été inscrite au palmarès « 2018 Forbes China 50 Most Innovative Companies » et a également été présentée dans une série documentaire de CCTV intitulée Da Guo Zhong Qi 2: Neng Yuan Pian (« Les piliers d'une grande puissance II : l'énergie »).
Les principaux atouts de CATL, à savoir ses capacités de R&D et de production solides et le puissant système d'informations spécialement conçu pour la fabrication intelligente, ont permis d'obtenir ces résultats impressionnants. Prenons l'exemple de la principale chaine de production de cellules de l'entreprise. Un ensemble de systèmes et de plateformes hiérarchisés est constitué des systèmes ERP, MES, de gestion et de contrôle de processus, ainsi que d'un réseau de production et de contrôle des cellules. Celui-ci permet d'automatiser, d'informatiser et d'incorporer de l'intelligence dans le processus de fabrication, comme le montre la figure 1. Le système MES, en particulier, est étroitement lié aux données de plus de 3 000 facteurs de contrôle de la qualité et de la sécurité dans des dizaines de processus de fabrication de la chaine de production de cellules. Il collecte rapidement et avec précision les données de la chaine de production en temps réel pour le contrôle, la gestion et l'analyse. Cela permet de gérer la production, le contrôle de la qualité, les lots et la traçabilité.
Figure 1 : Le système de fabrication numérique intelligent prenant en charge les chaines de production de cellules de CATL.
Pour s'assurer que le système MES disposait d'une capacité de traitement de données en temps réel suffisante, CATL a commencé par introduire une variété de bases de données de traitement de transactions en ligne (OLTP), en particulier la solution de base de données en mémoire, il y a plusieurs années. Ses produits gagnant du terrain sur le marché des énergies nouvelles, CATL a dû accroître encore sa capacité de production pour faire face à la croissance rapide de ses activités. Il était également de plus en plus urgent d'avoir un traitement de données aux performances élevées et à la latence faible. Dans ces circonstances, après analyse et estimation, CATL a conclu que « la capacité de production doit rapidement augmenter de 50 % pour répondre aux exigences du marché. »1. Augmenter la capacité de production de façon aussi significative signifiait que chaque session de production laisserait au système informatique une fenêtre encore plus étroite. Les données des tests ont montré que les systèmes informatiques de CATL disposaient de seulement trois secondes pour effectuer toutes les opérations, notamment déterminer les flux de production et contrôler la qualité des produits, et que seule une fenêtre de 100 ms pouvait être réservée aux opérations de la base de données principale2.
La base de données principale de CATL devait non seulement avoir de meilleures performances et une latence opérationnelle réduite, mais également être fiable. Parce que le système doit traiter une énorme quantité de données (100 à 200 millions de nouveaux enregistrements sont ajoutés à chaque table de données, un total d'un milliard d'enregistrements sont ajoutés chaque jour à toutes les tables, et plus de 10 milliards de calculs sont effectués en même temps2. Les exigences de latence de traitement ultra faible, les quantités massives de calculs, la pression sur la capacité de stockage et la nécessité de garantir l'intégrité des données critiques ont imposé de sérieux défis de performance et de fiabilité à l'infrastructure MES. CATL avait besoin de solutions de traitement et de stockage de données plus avancées et plus compatibles avec la nature et les exigences des bases de données en mémoire.
Une fois ces exigences et ces défis déterminés, CATL et Intel ont entamé une série de collaborations technologiques très étroites visant à transformer les produits et technologies avancés d'Intel en une solution viable. CATL a tenu compte à la fois du calcul et du stockage et a finalement opté pour la plateforme Intel Xeon Scalable basée sur le processeur Intel Xeon Scalable de 2ᵉ génération et dotée de la mémoire persistante Intel Optane. Le processeur Intel® Xeon® Platinum 8280, qui constitue la base de la plateforme, possède une fréquence d'horloge de 2,70 GHz, une mémoire cache de 38,5 Mo, 28 cœurs, 56 threads et 3 liens UPI (Ultra Path Interconnect) afin d'offrir des capacités de calcul parallèle plus adaptées et plus puissantes pour la base de données en mémoire. Le processeur prend également en charge jusqu'à six canaux de mémoire à haut débit pour la communication avec les sous-systèmes de mémoire tels que la DRAM et la mémoire persistante Intel Optane, offrant des performances exceptionnelles au système MES de CATL basé sur la base de données en mémoire.
La mémoire persistante Intel Optane élimine le goulot d'étranglement du stockage du système MES
Il ne fait aucun doute que la nouvelle plateforme de CATL possède des performances et des fonctionnalités puissantes, mais comment fonctionne-t-elle réellement ? Pour répondre à cette question, nous devons d'abord nous pencher sur SAP HANA, la base de données hautes performances en mémoire que CATL utilise pour son système MES. Les performances de la base de données en mémoire dépendent principalement de l'efficacité des opérations de conversion. Alors que les données sont généralement stockées en colonnes dans la base de données en mémoire, le stockage en ligne est plus susceptible d'améliorer l'efficacité lorsque le système MES met en œuvre l'analyse OLTP. Il faut donc effectuer une série d'interopérations entre les bases de données en mémoire et sur disque pour la conversion ligne/colonne, la synchronisation des journaux et d'autres tâches. Toutes les bases de données en mémoire et bases de données sur disque concernées doivent être mises « en attente » lors de l'exécution de ces opérations. En d'autres termes, si les opérations « écrire des données temporaires sur disque » peuvent être exécutées plus rapidement, elles auront moins d'impact sur le système et contribueront davantage à améliorer les performances.
Pour éviter les pertes de données dues aux coupures de courant et autres incidents, le système MES de CATL écrit également toutes les données de la base de données en mémoire dans la base de données sur disque toutes les cinq minutes grâce à la fonction de sauvegarde. En outre, les spécifications strictes de production de cellules et les exigences de récupération du système signifient que les quantités massives de journaux générés sur les chaines de production sont aussi écrites dans la base de données sur disque en temps réel.
Figure 2 : réduire le temps d'« écriture sur disque » permet d'améliorer les performances globales du système.
Pour le système MES de CATL, toutes ces opérations doivent être hiérarchisées et rester cohérentes, de sorte que certaines opérations entrent inévitablement en conflit les unes avec les autres. Par exemple, si le système met en œuvre des opérations de fusion de données, la fonction de sauvegarde doit attendre. Dans ces circonstances, il est difficile d'améliorer les performances globales du système. La meilleure façon d'éviter cela est d'accélérer les temps d'« écriture sur disque », comme le montre la figure 2.
La base de données en mémoire SAP HANA utilisée par le système MES de CATL est basée sur une architecture de mémoire DRAM complète, alors que la base de données sur disque est généralement déployée sur des unités de stockage (SSD) à haut débit NVMe ou SAS basées sur NAND. La latence de stockage des unités SAS est généralement mille fois supérieure à celle des unités NVMe. Par conséquent, lorsque les données sont transférées entre la base de données en mémoire et la base de données sur disque, les améliorations des performances du système MES sont freinées part l'écart de performances d'E/S entre la DRAM et les SSD. Pour combler cet écart, CATL devait trouver un produit de stockage avec des performances proches de celles de la DRAM pour son système MES.
La mémoire persistante Intel Optane conçue avec le support de mémoire 3D XPoint™ est une révolution dans l'architecture de mémoire et de stockage. Elle répondait à tous les critères de CATL. Grâce à sa technologie unique, elle est beaucoup plus rapide que les unités de stockage SSD NAND classiques. De plus, le contrôleur de mémoire système avancé, le matériel d'interface et la technologie logicielle lui permettent d'avoir une latence plus faible, des E/S plus élevées et une stabilité plus grande. Selon les scénarios d'application, elle peut être utilisée en mode mémoire pour fournir une mémoire volatile de plus grande capacité et à moindre coût, ou en mode App Direct pour mettre en place un pool de mémoire de plus grande capacité avec persistance des données.
Figure 3 : Latence d'accès des différents périphériques de stockage.
Comme le montre la figure 3, la mémoire persistante Intel Optane possède une latence d'accès et d'autres indicateurs clés de performance proches de ceux de la DRAM. Sa capacité et la persistance de ses données (ou non-volatilité) surpassent celles d'une DRAM classique. Cela signifie que lorsque le système MES de CATL utilise la mémoire persistante Intel Optane en mode App Direct comme support de stockage sur disque, les temps d'« écriture sur disque » nécessaires à l'exécution de la fusion de données, du point de sauvegarde et de la fonctionnalité de journalisation sont considérablement réduits, ce qui améliore les performances globales du système MES.
La persistance des données qu'offre la mémoire persistante Intel Optane permet également de réduire considérablement les temps de redémarrage du système MES. Des téraoctets de données doivent être écrits de la base de données en mémoire vers le disque dur avant chaque mise à jour du système MES. Une fois la mise à jour terminée, toutes les données doivent être réécrites du disque vers la mémoire. Avant l'introduction de la mémoire persistante Intel Optane, l'ensemble du processus pouvait prendre des dizaines de minutes, durant desquelles la production était interrompue. Depuis l'introduction de la mémoire persistante Intel Optane, le processus ne prend plus que 5 à 10 minutes2. Les chaines de production peuvent désormais effectuer les mises à jour du MES pendant une rotation régulière.
Pour améliorer la fiabilité du système, CATL a également mis au point un mécanisme complet de mise en veille active pour son système MES afin de se prémunir des interruptions de production dues aux coupures de courant, aux temps d'arrêt et autres incidents. Dans le passé, la mise en veille active pouvait prendre des dizaines de minutes. Mais aujourd'hui, en mode mémoire, la mémoire persistante Intel Optane sert de mémoire extensible pour l'hôte en veille. Sa capacité mémoire étant plus importante, cela permet des charges de travail d'E/S accrues et accélère considérablement les basculements.
Tests de production en situation quasi réelle : amélioration significative des performances avec la nouvelle solution
Pour valider les gains de performance que la nouvelle plateforme Intel Xeon Scalable, et en particulier la mémoire persistante Intel Optane, a apporté à sa base de données en mémoire, CATL a testé et évalué, avec le soutien d'Intel, les performances de ce nouveau produit dans des scénarios de fusion de données, de sauvegarde et de redémarrages du système. Les résultats fournissent des données réelles et efficaces permettant à CATL de déployer son architecture MES et de sélectionner les produits nécessaires à la croissance continue de ses activités à l'avenir.
CATL s'est donné beaucoup de mal pour concevoir des processus de test et des modèles de pression basés sur les chaines de production existantes, et ainsi mettre en place des scénarios de test en conditions de production quasi réelles. Pour le test de production de cellules simulé, deux serveurs d'applications frontales ont été déployés avec 20 terminaux simultanés chacun. Une latence de 100 ms a été définie entre les processus simultanés, et des opérations composées de base de données ont été simulées, notamment la création, la suppression ou la modification.
Les tests dans différents scénarios ont permis aux deux parties d'évaluer pleinement les performances de la mémoire persistante Intel Optane s'exécutant sur le système MES en fonction de la base de données en mémoire. Prenons par exemple le test de fusion de données. La comparaison des résultats normalisés, comme le montre la figure 4, indique que la mémoire persistante Intel Optane est jusqu'à 6,2 fois plus rapide que les SSD à haut débit SAS classiques3. Cela signifie que les temps d'écriture sur disque du système MES sont réduits, ce qui diminue considérablement les blocages du système liés à des opérations conflictuelles.
Figure 4 : Comparaison des résultats normalisés pour les tests de performance de fusion de données.
Conclusion et perspectives
La collaboration sur la dernière plateforme Intel Xeon Scalable et la mémoire persistante Intel Optane, en particulier, a permis à CATL et Intel de jeter les bases d'une coopération stratégique à long terme pour la fabrication intelligente. Ce produit de mémoire innovant prouve qu'il peut aider le système MES de CATL à surmonter ses précédents problèmes causés par les performances insuffisantes des disques et à améliorer la capacité de production de CATL grâce à des innovations dans l'infrastructure informatique.
CATL prévoit désormais d'introduire la mémoire persistante Intel Optane dans son système d'analyse hors ligne aux performances élevées. Elle peut ainsi générer des rapports de production avec toutes les informations pertinentes à partir de données historiques massives en quelques secondes seulement, ce qui permet une prise de décision et une analyse plus efficaces. CATL étudie également la possibilité d'utiliser la plateforme Intel Xeon Scalable avec une accélération intégrée de l'IA afin de mettre en œuvre des applications d'IA pour l'inspection des défauts et d'autres scénarios. Grâce à cela, CATL espère injecter davantage d'« ADN intelligent » dans la fabrication en plus de la numérisation et de l'automatisation.
Avantages de la solution de CATL :
- En mode App Direct, la mémoire persistante Intel Optane permet au système MES de CATL d'augmenter ses performances globales en réduisant efficacement les temps d'« écriture sur disque » pour exécuter les opérations de fusion de données, de sauvegarde et de journalisation entre la base de données en mémoire et la mémoire persistante
- En mode App Direct, la mémoire persistante Intel Optane exploite la persistance des données pour accélérer les redémarrages du système MES en fonction de la base de données en mémoire et minimiser les temps d'arrêt de la chaine de production
- En mode mémoire, la mémoire persistante Intel Optane sert de mémoire évolutive pour l'hôte en veille de la base de données en mémoire du système MES. Cela réduit le temps de commutation entre les hôtes actifs et les hôtes en veille du système MES et garantit une grande fiabilité du système