Rugged-Computer im Edge für IoT-Anwendungen

Das IoT im Edge

Das „Internet der Dinge“ (Internet of Things, IoT) und die Möglichkeiten für vernetzte Geräte explodieren. Haben Sie von dem Kühlschrank gehört, der Tweets senden kann, wenn die Eier ausgehen? Zwar ist es erstaunlich, dass wir Bestandsaktualisierungen in Echtzeit aus dem Eisfach erhalten können. Jedoch 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 heißt, 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. Dabei kommen Rugged-Computer im Edge zum Einsatz.

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. Dort fungiert er in der Regel als Server, indem er Daten direkt dort sammelt, berechnet und verarbeitet, wo diese Daten produziert werden. Beispielsweise könnte dies eine IoT-Anwendung in der Nahrungsmittelproduktion sein, bei der Sensoren zur Temperaturmesssung mit einem Edge-Computer verbunden sind. So kann dieser ständig die Temperaturmessungen erfassen. Entweder kann er auf diese Daten reagieren oder die erforderlichen Informationen zur zusätzlichen Berechnung oder Fernüberwachung in die Cloud übertragen. Edge-Computer sind in allen möglichen Formen und Größen erhältlich. Jedoch erfüllen sie eine zunehmend wichtige Funktion, indem sie Rechenfunktionen vor Ort bereitstellen. So können Entscheidungen schneller getroffen werden. Außerdem kann die Datenmenge, die zur Cloud hin- und hergeschickt wird, minimiert werden.

Rugged-Computer im Edge und 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. Daher erfordert sie eine erhebliche Widerstandsfähigkeit, um in diesen rauen Umgebungen zu bestehen.

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

Allerdings ist reine Leistung 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.

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

Der 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. Ihr Silizium möge in Frieden ruhen.

Rugged-Computer im Edge sind so konzipiert, dass sie diese Bedrohungen überstehen. So können diese spezialisierten Systeme in Umgebungen von -40 °C bis 70 °C arbeiten und einer Stoßkraft von bis zu 50 G standhalten. Dabei werden einige extrem spezialisierte Systeme sogar noch darüber hinaus klassifiziert.

Dieses Maß an Haltbarkeit wird durch eine Kombination aus Maschinenbau und Board-Design, Wärmetechnik und Komponentenauswahl erreicht. Jedoch reicht es nicht aus, all das einfach nur zusammenzumischen. So muss alles, vom Design bis zur Komponentenauswahl, gründlich getestet werden. Dadurch wird die gesamte Verlässlichkeit und die Leistung als Ganzes sichergestellt. Zudem ist das Testen 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. Daher erfordert es den höchsten Schutz. Die Motherboards der Rugged-Computer im Edge sind elektrisch so ausgelegt, dass sie mit größeren Leistungseingängen und -schwankungen umgehen können. Daneben muss das Board auch mit elektrostatischen Entladungen, extremen Temperaturen und Vibrationen umgehen können. Dies wird durch eine Kombination aus Materialauswahl, Vibrationsdämpfung und verlöteten Komponenten erreicht.

Es ist auch die Board-Ebene, auf der die Leistungsmerkmale festgelegt werden. Da Rugged-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 berücksichtigt werden. Beispielsweise ist dies eine Fahrzeugstromversorgung oder Stromzufuhr aus einer USV-Sicherung. Daher ist es nicht ungewöhnlich, dass diese Systeme mit CAN-Bus-, DIO- und Serienanschlüssen bestückt sind.

Wie Sie sehen können, verfügen die Motherboards der Rugged-Computer über bedeutende integrierte Schutzvorrichtungen. Dennoch sind sie immer noch ein empfindliches Stück Technologie.

Das mechanische Design des Gehäuses ist die Hauptverteidigung für das Motherboard. Das Design wird in erster Linie von der Boardgröße, der I/O-Bestückung und den thermischen Lösungen bestimmt. 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 Rugged-Computer im Edge

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. Jedoch muss die entstehende Wärme dann auf andere Weise abgegeben werden.

Die Kühlung für lüfterlose Systeme muss passiv über den Kühlkörper und das Gehäuse des Systems erfolgen,. Erfahren Sie hier mehr im Detail. 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.

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. Dabei kann es Spielraum zur Steigerung geben, wenn nötig. Aber dann sollte die Auslastung wieder heruntergefahren werden. Es kann leicht sein, über- oder unterzuspezifizieren. Am Ende kann beides kostspielig werden. Deshalb sind das Testen und die Zusammenarbeit mit  Hardwarespezialist:innen so wichtig.

Ein Rugged-Computer im Edge – welche Komponenten hat er?

Zu dieser wachsenden Liste sensibler und schützenswerter Technologien, die gleichzeitig mehr Hitze erzeugen, mit der umzugehen ist, kommen die verschiedenen Komponenten hinzu. Folgende können 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. Diese müssen berücksichtigt werden, da das System als Ganzes funktioniert. Und manchmal, wie im Fall von GPUs, stehen nur kommerzielle Optionen zur Verfügung. Somit wird für diese ein eigener, einzigartiger Designansatz zum Schutz und zur Kühlung erforderlich.

Die Bedeutung von Tests und Verifizierung

Die Kombination aus widerstandsfähigen Komponenten, Design und Wärmetechnik trägt dazu bei, unglaublich belastbare Computer zu schaffen. Jedoch 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. Entweder können sie intern durchgeführt werden, wenn Testausrüstung verfügbar ist, oder in einem Labor mit spezieller Testausrüstung. Auch eine Kombination aus beidem ist möglich.

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

An die Grenzen und darüber hinaus

Für unsere eigenen Rugged-Computer-Designs führen wir umfangreiche Tests durch, die das System an seine Grenzen bringen. Dabei wird seine Leistung im Zeitverlauf überwacht. Während dieses Testprozesses bestücken wir das System auch mit so vielen I/O und internen Anschlüssen wie möglich. Dadurch simulieren wir den Praxiseinsatz und setzen es Bedingungen aus, die schlechter sind als die, denen das System normalerweise ausgesetzt wäre.

Wenn wir an unsere vorherige Anmerkung zur Drosselung zurückdenken: Es gibt 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. Letztere 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 Rugged 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. Im Edge ist dies nicht ungewöhnlich.

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

Daher weisen wir darauf hin, dass diese Systeme zwar technisch in diesen Extremen arbeiten können. Jedoch ist größtenteils undokumentiert, wie gut sie in diesen Bereichen funktionieren. Allerdings ist dieser Erkenntnisstand 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. Vor allem 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. Dabei haben wir gesehen, was gut funktioniert. Außerdem haben wir die Herausforderungen gesehen, denen Hardware-Integratoren gegenüberstehen, wenn sie Computer an Orten einsetzen, die für die empfindliche Technologie nicht förderlich sind.

Außerdem 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? Stellen Sie sicher, dass das, was auf dem Papier steht, auch wirklich Ihren Anforderungen an die Anwendung entspricht. So sind manchmal mehr Informationen erforderlich als das, was allgemein zur Verfügung gestellt wird.

Wir haben flexiblere Optionen mit robusten Funktionen entwickelt. Dadurch konnten wir ein Portfolio von Rugged-Computern für das Edge erstellen, die für ein breites Spektrum von Anwendungen und Funktionen geeignet sind.

Suchen Sie nach einem Rugged-Computer für Ihre Anwendung? Sehen Sie unser gesamtes Angebot an Rugged-Computern an. Wenden Sie sich gerne an unsere Systemexpert:innen. Sie helfen Ihnen, die passende Lösung für Sie zu finden.

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