Waarom rugged pc’s voor IoT applicaties aan de edge?

IoT aan de Edge

Het “Internet of Things” (IoT) en de mogelijkheden voor verbonden apparaten ontploft. Zo is er bijvoorbeeld een koelkast die een tweet verstuurt wanneer je bijna geen eieren meer hebt. Het is natuurlijk geweldig dat we real-time voorraadupdates kunnen krijgen vanuit ons vriesvak, maar het feit dat IoT bijna elke industrie is binnengedrongen om data toegankelijker en doelgericht te maken, is nog verbazingwekkender te noemen.

MarketWatch toont aan dat de wereldwijde edge computer markt zal verdubbelen naar $21 biljoen (€18.7 biljoen) in 2023. Dit betekent dat de groei van IoT de edge nog verder brengt dan ooit tevoren. Nu bedrijven realiseren wat ze ermee kunnen doen en de efficiëntie die de cloud met zich meebrengt, wordt de behoefte aan verbonden technologieën in meer afgelegen en uitdagende locaties alsmaar groter.

Maar laten we vooraan beginnen…

Wat is een edge computer?

Om zijn naam eer te doen, is een edge computer een computer die aan de edge van een netwerk is verbonden, waar hij meestal functioneert als een server voor het verzamelen, berekenen en verwerken van data, daar waar deze wordt geproduceerd. Een voorbeeld kan een IoT-toepassing zijn bij een voedingsmiddelenbedrijf, waar sensoren voor temperatuurmetingen verbonden zijn met een edge computer, zodat het continu deze metingen kan verzamelen en op deze data kan inspelen. Of wanneer het nodig is data naar de cloud te verzenden voor verdere verwerking of remote-monitoring. Edge computers zijn beschikbaar in alle soorten en maten, maar ze dienen de extreem vitale functie van het ter plaatse bieden van rekenkracht, zodat beslissingen sneller kunnen worden genomen en de hoeveelheid data die heen en weer naar de cloud wordt gestuurd, tot een minimum kan worden beperkt.

De toekomstige locatie van de edge

De volgende stap van de edge computers is meestal allesbehalve goed voor de interne componenten van een computer. Deze vereisen in veel gevallen een hoog niveau van “ruggedization” om te presteren in deze zware omgevingen.

Neem bijvoorbeeld autonome voertuigen, die in staat moeten zijn om duizenden, constant veranderende variabelen en condities in real-time te beheren, monitoren en erop te reageren. Dit vereist enorme hoeveelheden berekeningen die lokaal moeten worden uitgevoerd en we hebben al projecten gezien waar dual Xeon met GPU-systemen een absolute must waren.

Maar onbewerkte prestatiestatistieken zijn niet voldoende bij dit soort use-cases voor gebruik in voertuigen. Hier moet ook rekening worden gehouden met schokken, trillingen en extreme temperaturen die de computer moet verdragen. En dan zijn we nog niet eens toegekomen aan de kleine details van automotive-power, die alleen specifiek ontworpen systemen aankunnen.

Dit is slechts een van de vele voorbeelden, maar het toont de groeiende behoefte en complexiteit voor meer rekenkracht aan de edge, waar een gewone computer niet thuishoort. Wanneer je verder naar de edge gaat, is er een ding dat maar al te vaak over het hoofd wordt gezien, de omgeving waarin jouw hardware zal werken en welke bescherming deze nodig heeft om betrouwbaar te werken.

Ontdek rugged edge computers

Er is een limiet aan wat een computer kan doen zodra hij wordt geconfronteerd met de berekenbare realiteit van natuurkunde. Extreme temperaturen, stof, puin, schokken en trillingen – dit is allemaal het voortijdige einde geweest van menig pc (moge hun silicium in vrede rusten).

Rugged edge computers zijn ontwikkeld om deze bedreigingen te weerstaan, en deze gespecialiseerde systemen kunnen presteren in omgevingen variërend van – 40℃ tot 70℃ en zijn bestand tegen een schokkracht van 50 G’s (met enkele extreem gespecialiseerde systemen die zelfs daarboven kunnen presteren!).

Dit niveau van duurzaamheid wordt bereikt door een combinatie van mechanical engineering, moederbordontwerp, thermische engineering en componentkeuze. Dit allemaal bij elkaar gooien is echter niet genoeg. Alles moet grondig worden getest om de betrouwbaarheid en prestaties als geheel te garanderen. Het testen van deze technologie is niet eenvoudig, zoals je snel zult zien.

Mechanical engineering en moederbordontwerp

Het moederbord en alles wat hierbij hoort is de kern van elke computer en vereist daarom de meeste bescherming. Moederborden voor rugged edge computers zijn elektronisch ontworpen om grotere stroominput en fluctuaties aan te kunnen. Het bord moet ook bestand zijn tegen elektrostatische ontlading, extreme temperaturen en trillingen. Deze bescherming wordt bereikt door een combinatie van materiaalkeuze, trillingsdemping en gesoldeerde componenten.

Vaak zijn de functiesets ook op moederbordniveau gevestigd. Omdat rugged edge computers meestal worden ingezet in industriële omgevingen, moet er ook rekening worden gehouden met I/O die kan worden aangesloten op oudere apparatuur, en die stroom krijgt van verschillende bronnen (zoals automotive-power of stroom van een UPS-backup). Het is niet ongebruikelijk dat deze systemen om deze reden worden voorzien van CAN bus, DIO en seriële connectoren.

Zoals je kunt zien hebben de moederborden van rugged edge computer ruime hoeveelheden aan built-in bescherming, maar het blijven gevoelige stukjes technologie.

Het mechanische ontwerp van de behuizing is de belangrijkste verdediging voor het moederbord en het ontwerp wordt voornamelijk bepaald door de grootte van het bord, de hoeveelheid I/O en verschillende thermische oplossingen die verantwoordelijk zijn voor het afvoeren van de warmte die wordt gegenereerd door interne componenten (zie hieronder). Om het nog niet te hebben over de wijze waarop de behuizing zelf ontworpen moet zijn, namelijk op een manier die kinetische energie kan overdragen of tolereren, inclusief impactkrachten (vallen of vallende voorwerpen) en trillingen (in voertuigen).

Thermische engineering voor edge computers

Een van de zwakste punten bij een computer is de ventilator. Door dit zwakke punt te verwijderen en het systeem af te sluiten voor stof en vuil wordt de levensduur van een systeem aanzienlijk vergroot, maar de gegenereerde hitte moet op een andere manier worden afgevoerd.

Het koelen van een fanless systeem moet passief gebeuren door middel van een heatsink en de behuizing van het systeem. Meer details hierover kun je hier vinden. Maar over het algemeen is het zo hoe meer hitte een systeem genereert, hoe groter de heatsink moet zijn om het systeem normaal te laten werken. Doordat er een limiet is op de grote van de heatsink die zich direct op de processor bevindt, moet de behuizing ook in staat zijn om op de een of andere manier te overige hitte te verwerken.

Hoewel op deze manier een verrassend grote hoeveelheid warmte van de CPU kan worden uitgestoten, zullen processors hun prestaties nog steeds vertragen bij hogere temperaturen (vooral in omgevingen die vanaf het begin al heet zijn). Deze ingebouwde bescherming zorgt ervoor dat de processor niet zichzelf verbrandt, maar kan ook aanzienlijke prestatie- en betrouwbaarheidsverlies veroorzaken.

We zullen hier later verder op ingaan, maar het is noemenswaardig dat zodra een systeem constant tot het uiterste wordt gedwongen en daardoor wordt gelimiteerd (zoals we in sommige projecten hebben zien gebeuren), dit in het algemeen betekent dat de hardware, zoals geconfigureerd, hier niet voor gemaakt is. Voor systemen met constante belasting is het veel beter om te werken met een capaciteit van 75-85%, waardoor er ruimte is om tot het uiterste te gaan wanneer dit nodig is. Het is zeer eenvoudig om te hoge of lage specificaties te hebben (beide kunnen kostbaar zijn), daarom is het testen en werken met een hardwarespecialist zo belangrijk.

Componenten van een edge computer

Aan deze groeiende lijst van gevoelige technologie die bescherming nodig heeft (en tegelijkertijd meer warmte creëert dan het aankan) worden de verschillende componenten toegevoegd die met het moederbord verbonden zijn; SSD en HD schijven, RAM, coprocessors (zoals Movidius VPU’s), draadloze en cellulaire kaarten, en zelfs GPU’s. Hoewel er van veel van deze componenten robuuste rugged versies zijn, hebben ze nog steeds hun eigen individuele prestatiekenmerken en temperatuurbereiken die meegenomen moeten worden in de overweging om een goede prestatiebalans te garanderen. En soms, zoals in het geval van GPU’s, zijn “rugged” opties eenvoudigweg niet beschikbaar of kosteneffectief, dus moeten er extra stappen bij engineering worden genomen om de betrouwbaarheid en prestaties van onderdelen die bedoeld zijn voor consumenten te beschermen.

Het belang van testen en verificatie

Hoewel de combinatie van rugged componenten, ontwerp en thermische engineering helpt bij het creëren van onvoorstelbaar rugged computers, is het het testen van deze kenmerken tijdens het ontwerpproces dat helpt bij het informeren over de prestaties in de echte werkomgeving.

Elke fabrikant is verantwoordelijk voor zijn eigen tests, die intern kunnen worden uitgevoerd (als er testapparatuur beschikbaar is), in een laboratorium (met gespecialiseerde testapparatuur) of een combinatie van beide.

Karbon 300 ondergaat OnLogic’s in-house omgeving voor temperatuurtesten, om temperaturen onder nul aan te kunnen.

Voor onze eigen rugged computerontwerpen voeren we een reeks tests uit die het systeem voor een bepaalde tijd tot het uiterste drijven en de prestaties in deze tijd volgen. Tijdens dit testproces vullen we het systeem ook met zoveel mogelijk I/O en interne connectoren om real-world gebruik te simuleren en te onderwerpen aan slechtere omstandigheden dan waaraan het systeem normaal zou worden blootgesteld.

Om terug te komen op onze eerdere opmerking over throttling (limiteren van de CPU), is er ook nuance tussen betrouwbaarheidstests (die verwijzen naar de mogelijkheid van het systeem om operationeel te blijven in de omstandigheden waaraan hij wordt onderworpen) en prestatietests (die beschrijven hoe goed het systeem onder die omstandigheden kan presteren). Helaas bestaat er op dit moment hierbij een klein verschil.

Toen we bijvoorbeeld onze Karbon 300 rugged edge computer gingen testen, hadden we bepaalde prestatiebenchmarks die we wilden bereiken. Bij het ontwerp,wilden we dat het systeem optimaal zou presteren in extreme temperatuurbereiken zonder noemenswaardige throttling, wat niet ongebruikelijk is bij de geteste waardes.

Tijdens dit proces hebben we verschillende andere systemen getest die toen ook op de markt waren om inzicht te krijgen in de relatieve prestaties. We hebben opgemerkt dat er een aanzienlijke afweging in prestaties wordt gemaakt zodra een systeem het maximale van zijn temperatuurbereik aantikt.

belangrijk om hierbij op te merken is dat deze systemen in principe technisch gezien bij deze extremen kunnen werken, maar hoe goed ze presteren in deze bereiken is grotendeels onbekend. Maar dit niveau van inzicht is belangrijk wanneer je rekent op een specifiek prestatieniveau voor jouw toepassing, vooral wanneer je specificeert wat voor systemen geïmplementeerd moeten worden.

Het vinden van de juiste keuze

Met zoveel factoren en datapunten om te overwegen, kan het moeilijk zijn om de juiste oplossing te vinden bij jouw hardwarevereisten. Vooral als de prestaties die je verwacht niet overeenkomen met de specificaties die bij het systeem horen.

Sinds 2003 werken we al wereldwijd samen met innovators die betrouwbare computerhardware in hun toepassing integreren. We hebben gezien wat goed werkt en we hebben de uitdagingen gezien waarmee hardware-integrators te maken hebben gehad bij het inzetten van computers op plaatsen die niet bevorderlijk zijn voor hun gevoelige technologie.

Nu je deze informatie hebt, raden we het aan om met jouw hardwareleverancier te praten over de tests die zijn uitgevoerd op de systemen die je wilt gebruiken. Is het op alle extremen getest, terwijl alle aansluitingen gebruikt worden, en wat zijn de afwegingen die gemaakt zijn? Om ervoor te zorgen dat wat op papier staat, ook daadwerkelijk voldoet aan jouw toepassingsvereisten, is soms meer informatie nodig dan wat doorgaans wordt verstrekt.

Door flexibelere opties te bouwen met rugged kenmerken, hebben we een portfolio van rugged edge computers kunnen ontwikkelen die passen bij een breed scala aan toepassingen en functionaliteit.

Ben je op zoek naar een rugged edge computer voor jouw toepassing? Bekijk onze volledige line-up met rugged edge pc’s of neem contact op met een systeemexpert die jou kan helpen om de oplossing te vinden die het beste bij jou past.

*Origineel gepubliceerd op 14 mei, 2019. Bijgewerkt op 15 juli, 2020.