Verschillen in edge computing-hardware – zes eigenschappen die je moet kennen

Als je op zoek bent naar de beste edge computing-hardware, moet je rekening houden met de omgeving waarin je deze plaatst. Als je omgeving veeleisend is, heb je robuuste hardware nodig. Onze klanten hebben edge computers die diep in productiefaciliteiten, op terreinvoertuigen, buiten in hete olievelden en zelfs in diepvriezers zijn ingebouwd. We bieden veel verschillende soorten hardwareoplossingen met verschillende functies om deze computers te helpen overleven in die veeleisende omgevingen. Als je de verschillende functies begrijpt, kun je de beste edge computing-hardware voor jouw omgeving kiezen, om zo een ​​lange levensduur te garanderen.

Drie categorieën: ventilatorgekoeld, fanless en rugged

We bieden drie verschillende categorieën edge computing-hardware: ventilatorgekoeld, fanless en rugged. In dit artikel verkennen we de verschillende eigenschappen van deze drie soorten, zodat we hun verschillen en sterke punten begrijpen. Met deze informatie wordt het veel gemakkelijker om de beste oplossing voor jouw edge embedded of IoT-computer te vinden.

Zes kenmerken van edge computing-hardware

De zes kenmerken van edge computing-hardware zijn: overlevingsvermogen, verontreinigingsklasse, schokken en trillingen, elektromagnetische compatibiliteit, wereldwijde inzetbaarheid en temperatuur. In de onderstaande afbeelding hebben we deze zes kenmerken vergeleken binnen de drie categorieën. Door jouw behoeften met deze eigenschappen te vergelijken, kun je snel je selectie verfijnen op basis van je vereisten. Daarna vertellen we meer over deze eigenschappen en wat ze betekenen. We benadrukken de belangrijkste factoren waarmee rekening moet worden gehouden bij de aanschaf van edge computing-hardware.

Eigenschap 1: overlevingsvermogen

Edge computers hebben vaak te maken met stof, extreme temperaturen, elektrostatische ontlading (ESD), impactkracht en constante trillingen. Plotselinge gebeurtenissen, zoals enorme spanningspieken, natuurrampen en andere onvoorziene omstandigheden bedreigen ook embedded systemen. Overlevingsvermogen vertegenwoordigt het vermogen van een systeem om deze factoren in de loop der tijd aan te kunnen.

Een hoge score betekent dat het systeem deze extremen tolereert en bestand is tegen onvoorziene en aanhoudende gebeurtenissen die plaatsvinden. Voor uitdagende omgevingen zou overlevingsvermogen jouw eerste overweging moeten zijn bij het selecteren van een embedded computer. Voor deze omstandigheden zijn rugged edge computers een goed eerste uitgangspunt.

Toch betekent een hoog overlevingsvermogen niet dat een systeem onverwoestbaar is. Zelfs de meest robuuste computers hebben grenzen. We adviseren om stress-testen met een systeem uit te voeren in de omgeving waar het moet werken om consistente betrouwbaarheid te garanderen.

Een lagere score betekent dat een systeem in een wat mindere mate beschermd is tegen schokken, trillingen en extreme temperaturen. Deze fanless systemen kunnen nog steeds tegen grote hoeveelheden vuil, stof of puin, en tolereren kleine, infrequente impactkrachten.

Gaan we nog iets lager in de classificatie, dan komen we bij de systemen met ventilator voor het koelen van componenten. Deze systemen zijn goedkoper omdat ze niet beschikken over de meer geavanceerde koeloplossingen. Doordat er openingen in de behuizing zitten en bewegende onderdelen aanwezig zijn, hebben ze ook niet het niveau van overlevingsvermogen die rugged industriële systemen bieden. Dit betekent echter niet dat deze systemen onbetrouwbaar zijn. Ze zijn een goede optie bij gebruik in schone klimaatgeregelde omgevingen.

Eigenschap 2: verontreinigingsklasse

De verontreinigingsklasse verwijst naar het niveau aan deeltjesdichtheid dat een systeem kan tolereren. Stof en vuil zijn voorbodes van onheil voor elke computer. Zodra deze materialen het systeem binnendringen, brengen ze bewegende onderdelen binnen het systeem in gevaar en bedreigen de interne componenten. Deeltjes die in het systeem komen, kunnen bijtende stoffen bevatten die zorgen voor kortsluiting bij elektrische componenten. Ze kunnen soldeerpunten beschadigen, waardoor jouw systeem en data in gevaar komen.

Een hoge verontreinigingsscore vertaalt zich in goede bescherming tegen deze vervuiling met een fanless design en afschermende behuizingen. Deze zaken voorkomen dat ongewenst materiaal binnen kan dringen. 

Omgekeerd duidt een lagere score op een geventileerd systeem dat actief gekoeld wordt met een ventilator. Dit betekent niet dat het systeem inferieur of onbetrouwbaar is. Het laat simpelweg zien dat het systeem niet is ontworpen met deze beveiliging in gedachte. 

Het inzetten van een systeem met een lage verontreinigingsscore in een deeltjesrijke omgeving is een uitnodiging tot catastrofaal systeemfalen. Inzicht in het niveau van vervuiling in de omgeving voordat implementatie plaatsvindt, helpt dit probleem te voorkomen.

Eigenschap 3: schokken en trillingen

Schokken en trillingen beschrijven de mate van schok- en trillingsfrequentie die een systeem kan tolereren. 

Rugged computers tolereren maximaal 50G bij schokken en trillingen om te kunnen overleven in voertuigen, spoorwegen en andere mobiele toepassingen. Daarom krijgen ze de hoogste score in deze categorie.

Door een combinatie van mechanische technieken wordt energie geabsorbeerd en opnieuw door het systeem gedistribueerd om het te beschermen. Er wordt gebruik gemaakt van kortere componenten die laterale energie weerstaan. En delen van het moederbord worden mechanisch vastgeklemd met voldoende stijfheid om resonante destructieve trillingen met minimale onderlinge verbindingen te weerstaan. Dit zorgt voor optimale bescherming. Als je verwacht dat fysiek gebruik belangrijk wordt tijdens jouw implementatie, kijk dan bij rugged systemen.

Deze mate van schok- en trillingstolerantie ontbreekt doorgaans in een fanless industrieel systeem. Toch zorgen het fanless ontwerp en de geïntegreerde warmteverdeler voor extra duurzaamheid vergeleken met een volledig geventileerd, ventilatorgekoeld systeem.

Geventileerde, actief gekoelde systemen zijn beoordeeld voor levering en doorvoer. Ze overleven stoten en geduw tijdens de verzending en installatie. Ze bieden niet de vereiste bescherming voor mobiele implementaties.

Eigenschap 4: electromagnetische compatibiliteit (EMC)

EMC is de tolerantie van het systeem ten aanzien van interferentie veroorzaakt door snelle transiënten en spanningsontladingen. Deze veroorzaken onregelmatige prestaties, storingen of schade aan het systeem. Elektriciteit kiest voor het pad van de minste weerstand. Wat is een beter pad dan de gevoelige circuits in een computer?

Computers in industriële-, productie-, en vergelijkbare omgevingen vereisen deze bescherming, omdat deze bedreiging veelvuldig voorkomt. We zijn uitgebreid ingegaan op het toepassen van best-practices op het gebied van energie voor industriële implementaties. Onthoud dat installaties die deze best-practices niet volgen, risico lopen op statische ontlading, spannings-loopbacks, stroomuitval en blikseminslag.

De voeding biedt ook aanzienlijke bescherming. Het is de eerste verdedigingslinie voor stroomgerelateerde bedreigingen. Bezuinigen op de stroomvoorziening is een strategie die op de lange termijn vaak meer kost. De voeding stabiliseert en filtert de stroom zodat deze geen schade toebrengt aan gevoelige interne componenten. We hebben hele rekken met systemen gezien die onbruikbaar zijn geworden door ontoereikende voedingen, waardoor aanzienlijke kosten en downtime zijn ontstaan.

Er zijn meerdere factoren die een edge computer tolerant maken voor dit soort bedreigingen. Door de behuizing te integreren met EMC-bescherming en dubbele rechte hoeken worden directe elektrische- en RF-richtingen in het geaarde chassis gevouwen. Systemen die hoog scoren in deze categorie hebben ook intern stroombeheer en transistors die dienen als buffers voor elektrische transiënten.

Rugged systemen hebben een robuuste EMC-tolerantie. Ze zijn ontworpen om te werken in omgevingen met variabel of onvoorspelbaar vermogen. Fanless systemen zijn goed beschermd, maar missen enkele van de geavanceerde vermogensfuncties van rugged computers. Ventilator gekoelde systemen zijn door hun geventileerde behuizing gevoeliger voor EMC-interferentie, maar ze presteren betrouwbaar wanneer ze in de juiste omgeving worden geïnstalleerd.

Eigenschap 5: wereldwijde inzetbaarheid

Edge computers worden nu overal ter wereld ingezet. Het is dus belangrijk dat ze voldoen aan de wettelijke vereisten voor veiligheid van het systeem en personeel van elk individueel land.

Een uitermate rugged systeem voldoet of overtreft doorgaans de wereldwijde standaarden. Dit komt door de uitgebreide tests waarmee de doeltreffendheid van robuustheid (ruggedization) wordt gemeten en eventuele bijbehorende certificeringen worden toegekend. Hierdoor bezitten deze systemen normaal gesproken CB-Schemes, UL-listings en andere wettelijke certificeringen. Door te kiezen voor hardwarefabrikanten die de tijd nemen om deze certificeringen voor hun systeem te behalen bespaar je tijd en geld  bij de implementatie van edge computers op een globale schaal.

Fanless en ventilator gekoelde systemen voldoen over het algemeen aan een aantal van deze standaarden, maar meestal in mindere mate dan rugged computers. Het is daarom belangrijk om te weten met welke regelgeving je te maken krijgt. De vereisten van verschillende landen kunnen per regio verschillen.. 

Over het algemeen bieden FCC- en CE-testen van een A2LA-geaccrediteerd laboratorium in combinatie met een CB-scheme van een NRTL lab de beste basis om door wereldwijde omgevingen te navigeren. Het CB-scheme voor veiligheid, erkend door meer dan 50 landen, bespaart de tijd en kosten van aanvullende testen per land.

Een groot deel van de wereld hanteert normen op het gebied van CE-emissie en immuniteit. Zelfs als een land CE niet als geaccepteerde standaard erkend, is de kans groot dat de tests die vereist zijn vergelijkbare of zelfs dezelfde testparameters hebben. Let wel: wijzigingen in het systeem of het gebruik van configuratieopties die niet in de lijst of certificering worden vermeld, kunnen de wettelijke bescherming van deze credentials ongeldig maken.

Eigenschap 6: temperatuur

Temperatuur speelt een hoofdrol bij systeemprestaties en betrouwbaarheid. Het thermisch ontwerpvermogen, ook wel Thermal Design Power (TDP), van processors en componenten, koelmethoden, omgeving en installatie zijn van invloed op de manier waarop het systeem omgaat met hoge en lage temperaturen.

Rugged edge computers hebben een bedrijfstemperatuurbereik van maar liefst -40 tot 70°C en scoren het beste in de temperatuurcategorie. Fanless en ventilatorgekoelde edge computers hebben over het algemeen een temperatuurbereik tussen 0 en 50°C.

Zodra commerciële moederborden worden blootgesteld aan temperaturen onder 0, kunnen bepaalde apparaten buiten deze tolerantie vallen. Bij -20 °C en lager zijn specifieke bordontwerpen en layout-beslissingen van cruciaal belang voor de bescherming. Bovendien kan vochtigheid in de boards ervoor zorgen dat ze splijten. De inkrimpingen kunnen ook de kleine gaten en bindingen verbreken die het board verbinden. 

Rugged en fanless edge computers die vertrouwen op passieve fanless koeling trekken energie weg van de hitte genererende componenten. Dit wordt bereikt door middel van een op de CPU aangebrachte hitteverdeler en warmtegenerende componenten. Warmte-energie verplaatst zich door de verdeler naar de behuizing en wordt afgevoerd via de koelvinnen van het systeem.

De warmte die op deze manier wordt afgevoerd is aanzienlijk, maar er is een grenswaarde. Wanneer CPU’s tot hun warmtelimiet worden gedreven, beperken ze de prestaties om zichzelf te beschermen. Dit is normaal, maar het is belangrijk om te weten hoe het systeem presteert onder zware belasting, vooral in warme omgevingen.

Dit vereist inzicht in de verwerkingsbehoeften van de toepassing. Voor een maximale levensduur draait een systeem idealiter op 60-80% van zijn maximale capaciteit. Hierdoor kan het turboboost of extra kernen gebruiken voor zware verwerkingstaken voordat het terugkeert naar een normale werking.

Vertel ons je vereisten

Aangezien het belangrijk op er rekening mee te houden dat het constant draaien van het systeem met maximale prestaties de levensduur verkort. De juiste combinatie van prestaties en koeling is van cruciaal belang voor betrouwbaarheid en kostenbeheer. Dus een goed advies van een specialist hierin is uiterst belangrijk.

Nu je de kenmerken en categorieën van edge computing-hardware kent, ben je beter in staat ze af te wegen tegen je toepassingsbehoeften. Maar er is nog veel meer om rekening mee te houden bij je hardwarekeuze. Bekijk onze uitgebreide hardware-checklist om er zeker van te zijn dat je geen details mist bij het selecteren van een IoT- of edge-pc. 

Als je zover bent, neem dan contact op met de experts van OnLogic. We willen jouw vereisten horen en je helpen bij het kiezen van de beste edge computing-hardware voor jouw veeleisende omgeving.