Das IoT im Edge

Das „Internet der Dinge“ (Internet of Things, IoT) und die Möglichkeiten für angeschlossene Geräte explodieren. Haben Sie von dem Kühlschrank gehört, der Tweets senden kann, wenn Ihnen die Eier ausgehen? Es ist zwar erstaunlich, dass wir Bestandsaktualisierungen in Echtzeit aus dem Eisfach erhalten können, aber noch unglaublicher ist die Tatsache, dass das IoT fast jede Branche durchdrungen hat, da es die Daten zugänglicher und leichter handhabbar macht.

MarketWatch berichtet, dass der globale Markt für Edge-Computing sich im Jahr 2023 auf 21 Milliarden US-Dollar (18,7 Milliarden Euro) verdoppeln wird. Das bedeutet, dass das Wachstum des IoT den Edge-Bereich weiter als je zuvor vergrößern wird. In dem Maße, in dem Unternehmen erkennen, was sie tun können und wie sie durch die Cloud an Effizienz gewinnen, steigt auch der Bedarf an vernetzter Technologie an entlegeneren und anspruchsvolleren Standorten.

Aber eins nach dem anderen…

Was ist ein Edge-Computer?

Wie der Name schon sagt, ist ein Edge-PC ein Computer, der sich am Rand (im „Edge“) eines Anwendungsnetzwerks befindet, wo er in der Regel als Server fungiert, um Daten direkt dort zu sammeln, zu berechnen und zu verarbeiten, wo diese Daten produziert werden. Dies könnte z. B. eine IoT-Anwendung in der Nahrungsmittelproduktion sein, bei der Sensoren zur Temperaturmesssung mit einem Edge-Computer verbunden sind, sodass dieser ständig die Temperaturmessungen erfassen und entweder auf diese Daten reagieren oder die erforderlichen Informationen zur zusätzlichen Berechnung oder Fernüberwachung in die Cloud übertragen kann. Edge-Computer sind in allen möglichen Formen und Größen erhältlich. Sie erfüllen jedoch eine zunehmend wichtige Funktion, indem sie Rechenfunktionen vor Ort bereitstellen, sodass Entscheidungen schneller getroffen werden können und die Datenmenge, die zur Cloud hin- und hergeschickt wird, minimiert werden kann.

Der zukünftige Standort von The Edge

Doch die nächste Herausforderung für das Edge-Computing ist alles andere als freundlich zu den empfindlichen internen Komponenten eines Computers und erfordert eine erhebliche Widerstandsfähigkeit, um in diesen rauen Umgebungen zu bestehen.

Nehmen wir zum Beispiel autonome Fahrzeuge, die in der Lage sein müssen, Tausende sich ständig ändernder Variablen und Bedingungen in Echtzeit zu verwalten, zu überwachen und darauf zu reagieren. Dies erfordert enorme Mengen an Berechnungen vor Ort, und wir haben Projekte gesehen, bei denen Dual-Xeon-Systeme mit GPU ein absolutes Muss waren.

Reine Leistung ist nicht immer ausreichend, besonders unter diesen Umständen. Bei Fahrzeug-Anwendungen muss auch berücksichtigt werden, wie stark der Computer Stößen, Vibrationen und extremen Temperaturen ausgesetzt sein wird. Und wir sind noch nicht einmal in die Feinheiten der Automobilleistung eingestiegen, die nur speziell entworfene Systeme bewältigen können.


Dieses Diagramm zeigt, wie einige Anwendungen mehr Rechenleistung im Edge benötigen

Dies ist eines von vielen Beispielen, aber es zeigt die wachsende Notwendigkeit und Komplexität der Bereitstellung von mehr Rechenleistung im Edge-Bereich, wo ein typischer Computer nicht hingehört. Wenn Sie weiter an die Peripherie vorstoßen, ist eines der wichtigsten Dinge, die Sie berücksichtigen müssen, die Umgebung, in der Ihre Hardware arbeiten wird und welchen Schutz sie benötigt, um zuverlässig zu funktionieren.

Einstieg in Rugged Industrie-Edge-Computer

Es gibt nur so viel, was ein Computer tun kann, wie er mit der berechenbaren Realität der Physik konfrontiert wird. Extreme Temperaturen, Staub, Schmutz, Stöße und Vibrationen – all das war das vorzeitige Ende so mancher PCs (möge ihr Silizium in Frieden ruhen).

Robuste Industrie-Edge-Computer wurden entwickelt, um diese Bedrohungen zu überleben. Diese spezialisierten Systeme können in Umgebungen von -40 °C bis 70 °C arbeiten und einer Stoßkraft von bis zu 50G standhalten (wobei einige extrem spezialisierte Systeme sogar noch darüber hinaus klassifiziert werden!).

rugged edge computers in NASA rover
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Dieses Maß an Haltbarkeit wird durch eine Kombination aus Maschinenbau und Board-Design, Wärmetechnik und Komponentenauswahl erreicht. Es reicht jedoch nicht aus, all das einfach nur zusammenzumischen. Alles, vom Design bis zur Komponentenauswahl, muss gründlich getestet werden, um die gesamte Zuverlässigkeit und -leistung als Ganzes sicherzustellen und das Testen ist nicht einfach für die Technologie, wie Sie gleich sehen werden.

Maschinenbau und Board-Design

Das Board und alles, was sich darauf befindet, ist das Kernstück eines jeden Computers und erfordert daher den höchsten Schutz. Motherboards für Rugged Industrie-Edge-Computer sind elektrisch so ausgelegt, dass sie mit größeren Leistungseingängen und -schwankungen umgehen können. Das Board muss auch mit elektrostatischen Entladungen, extremen Temperaturen und Vibrationen umgehen können, was durch eine Kombination aus Materialauswahl, Vibrationsdämpfung und verlöteten Komponenten erreicht wird.

Es ist auch die Board-Ebene, auf der die Leistungsmerkmale festgelegt werden. Da robuste Edge-Computer häufig in industriellen Umgebungen eingesetzt werden und über I/O verfügen, die eine Schnittstelle mit älteren Geräten bilden können, muss auch die Stromversorgung aus verschiedenen Quellen (wie z. B. Fahrzeugstromversorgung oder Stromversorgung aus einer USV-Sicherung) berücksichtigt werden. Aus diesem Grund ist es nicht ungewöhnlich, dass diese Systeme mit CAN-Bus-, DIO- und Serienanschlüssen bestückt sind.

Wie Sie sehen können, verfügen die Motherboards robuster Computer über bedeutende integrierte Schutzvorrichtungen, aber sie sind immer noch ein empfindliches Stück Technologie.

Das mechanische Design des Gehäuses ist die Hauptverteidigung für das Motherboard und das Design wird in erster Linie von der Boardgröße, der I/O-Bestückung und den thermischen Lösungen bestimmt. Ganz abgesehen davon muss das Gehäuse selbst auch so konstruiert sein, dass es kinetische Energie einschließlich Stöße (Stürze oder fallende Gegenstände) und Vibrationen (in einem Auto oder Zug) übertragen oder tolerieren kann.

Wärmetechnik für Edge-Computer

Einer der häufigsten Ausfallpunkte bei Computern ist der Lüfter. Das Entfernen dieses Fehlerpunktes und die Abdichtung des Systems gegen Staub und Schmutz verlängert die Lebensdauer des Systems, aber die entstehende Wärme muss dann auf andere Weise abgegeben werden.

Lüfter sind eine der häufigsten Ursachen für PC-Ausfälle.

Die Kühlung für lüfterlose Systeme muss passiv über den Kühlkörper und das Gehäuse des Systems erfolgen, worüber Sie hier mehr im Detail erfahren können. Allgemein gilt jedoch: Je mehr Wärme ein System erzeugt, desto größer ist der Kühlkörper, der für den normalen Betrieb des Systems erforderlich ist. Die Größe des Kühlkörpers, der direkt auf dem Prozessor sitzt, ist begrenzt. Daher muss das Gehäuse in der Lage sein, die zusätzliche Wärme aufzunehmen.

fanless heat transfer process for rugged edge computers

Obwohl auf diese Weise eine überraschende Menge an Wärme von der CPU abgeführt werden kann, drosseln Prozessoren ihre Leistung dennoch bei höheren Temperaturen (insbesondere in Umgebungen, die zunächst heiß sind). Dieser eingebaute Schutz hält den Prozessor davon ab, sich selbst zu kochen, kann aber zu einer erheblichen Verschlechterung der Leistung und Verlässlichkeit führen.

Wir werden später noch mehr darüber sprechen, aber Folgendes ist erwähnenswert: Wenn ein System ständig bis zum Maximum beansprucht und dadurch gedrosselt wird (wie wir es bei einigen Projekten gesehen haben), bedeutet dies im Allgemeinen dass die Hardware, so wie sie konfiguriert wurde, der Aufgabe nicht gewachsen ist. Bei Systemen unter konstanter Last ist es weitaus vorteilhafter, bei einer Auslastung von 75-85 % zu arbeiten, mit Spielraum zur Steigerung, wenn nötig, aber dann wieder herunterzufahren. Es kann leicht sein, über- oder unterzuspezifizieren (beides kann kostspielig werden). Deshalb sind das Testen und die Zusammenarbeit mit einem Hardwarespezialisten so wichtig.

Komponenten eines Edge-Computer

Zu dieser wachsenden Liste sensibler und schützenswerter Technologien (die gleichzeitig mehr Hitze erzeugen, mit der umzugehen ist) kommen die verschiedenen Komponenten hinzu, die das Board bestücken: SSD- und HD-Festplatten, RAM, Co-Prozessoren (wie Movidius VPUs), Wireless- und Mobilfunkkarten und sogar GPUs. Obwohl viele dieser Komponenten stabile Rugged-Versionen haben, haben sie dennoch ihre eigenen individuellen Leistungsmerkmale und Temperaturbereiche, die berücksichtigt werden müssen, da das System als Ganzes funktioniert. Und manchmal, wie im Fall von GPUs, stehen nur kommerzielle Optionen zur Verfügung (die einen eigenen, einzigartigen Designansatz zum Schutz und zur Kühlung erfordern).

Die Bedeutung von Tests und Verifizierung

Während die Kombination aus widerstandsfähigen Komponenten, Design und Wärmetechnik dazu beiträgt, unglaublich belastbare Computer zu schaffen, ist es das Testen dieser Funktionen während des Designprozesses, das Aufschluss darüber gibt, wie sie sich in der realen Welt erweisen werden.

Jeder Hersteller ist für seine eigenen Tests verantwortlich, die entweder intern (wenn Testausrüstung verfügbar ist), in einem Labor (das spezielle Testausrüstung besitzt) oder in einer Kombination aus beidem durchgeführt werden können.

rugged edge computers in extreme cold testing

Der Karbon 300 durchläuft die hauseigene Temperatur-Testkammer von OnLogic und hält Temperaturen unter null Grad stand.

Für unsere eigenen Rugged-Computer-Designs führen wir eine Palette von Tests durch, die das System an seine Grenzen bringen, es dort halten und seine Leistung im Zeitverlauf überwachen. Während dieses Testprozesses bestücken wir das System auch mit so vielen I/O und internen Anschlüssen wie möglich, um den Praxiseinsatz zu simulieren und es Bedingungen auszusetzen, die schlechter sind als die, denen das System normalerweise ausgesetzt wäre.

Wenn wir an unsere vorherige Anmerkung zur Drosselung zurückdenken, gibt es auch eine Differenzierung zwischen Verlässlichkeitstests, die sich darauf beziehen, ob das System unter den Bedingungen, denen es ausgesetzt ist, eingeschaltet bleiben kann oder nicht und Leistungstests, die beschreiben, wie gut das System unter diesen Bedingungen arbeiten kann. Leider gibt es in diesem Bereich derzeit eine gewisse Diskrepanz.

Als wir zum Beispiel mit dem Test unseres robusten Edge-Computers Karbon 300 begannen, hatten wir bestimmte Leistungsmaßstäbe, die wir erreichen wollten. Auf der Design-Ebene wollten wir, dass das System in den extremen Temperaturbereichen sein volles Potenzial ohne nennenswerte Drosselung entfalten kann, was in diesen Randbereichen nicht ungewöhnlich ist.

Während dieses Prozesses haben wir verschiedene andere Systeme getestet, um ein Verständnis dafür zu bekommen, wie sie im Vergleich funktionieren. Dabei stellten wir fest, dass es einen erheblichen Kompromiss in der Leistung gibt, der auftritt, wenn ein System das äußerste Ende seines Temperaturbereichs erreicht.

In diesem Zusammenhang ist es wichtig, darauf hinzuweisen, dass diese Systeme zwar technisch in diesen Extremen arbeiten können. Wie gut sie jedoch in diesen Bereichen funktionieren, ist größtenteils undokumentiert. Dieser Erkenntnisstand ist jedoch wichtig, wenn Sie mit einem bestimmten Leistungsniveau für Ihre Anwendung rechnen, insbesondere wenn Sie Systeme für den Einsatz spezifizieren.

Die richtige Lösung finden

Bei so vielen Faktoren und Datenpunkten, die es zu berücksichtigen gilt, kann es schwierig sein, bei der Spezifizierung der Hardware die richtige Lösung zu finden. Insbesondere dann, wenn die von Ihnen erwartete Leistung nicht mit den Spezifikationen übereinstimmt, die dem System zugesprochen werden.

Seit 2003 arbeiten wir mit Innovatoren auf der ganzen Welt zusammen, die zuverlässige Computerhardware in ihre Anwendung integrieren. Wir haben gesehen, was gut funktioniert und wir haben die Herausforderungen gesehen, denen Hardware-Integratoren gegenüberstehen, wenn sie Computer an Orten einsetzen, die für die empfindliche Technologie nicht förderlich sind.

Ausgehend von diesen Informationen möchten wir Sie auch ermutigen, mit Ihrem Hardware-Lieferanten über die Tests zu sprechen, die an den Systemen durchgeführt wurden, die Sie spezifizieren möchten. Wurde es unter allen Extremen getestet, vollständig bestückt und was sind die Kompromisse? Um sicherzustellen, dass das, was auf dem Papier steht, auch wirklich Ihren Anforderungen an die Anwendung entspricht, sind manchmal mehr Informationen erforderlich als das, was allgemein zur Verfügung gestellt wird.

rugged edge computers
Wir bieten eine Reihe von robusten Edge-Computern an, die für anspruchsvolle Umgebungen geeignet sind.

Durch die Entwicklung flexiblerer Optionen mit robusten Funktionen konnten wir ein Portfolio von robusten Edge-Computern entwickeln, die für ein breites Spektrum von Anwendungen und Funktionen geeignet sind.

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*Dieser Beitrag wurde ursprünglich am 14. Mai 2019 veröffentlicht. Er wurde am 15. Juli 2020 aktualisiert.