強固型伺服器為自動駕駛車鋪路

July 1, 2017 Patrick Mannion

自動駕駛車隊的研發以至最後的部署都必須從許多感測器輸入擷取數量龐大的資料並進行處理。
我們不但需要先進的架構來執行處理程序,也必須使用在機械和環境方面皆強固的零組件和機殼,才能將停機時間降到最低,確保資料輸入一致且可靠,並減少整體成本。

自動駕駛車使用許多感測器將前方道路變成視覺影像,儘管環境不斷改變,系統仍可評估無數種情境並作出合適回應。 新增自我診斷和監控子系統,自動駕駛車每天產生的資料可迅速到達 4,000 GB。

處理那樣的資料負載需要使用許多微處理器、FPGA 和其他加速器的合適組合提供大量的平行和序列運算馬力。

若用最佳化和動態的方式執行,得到的平衡應該會減少所需的整體運算馬力並降低成本。  但是,一個達成正確平衡的架構若無法應付自動駕駛車應用的嚴格考驗則無甚用處。
這對車隊部署而言更加重要,因為在資料收集過程中若現場發生伺服器故障,可能會馬上讓任何架構上的細微差別與優勢失去實際意義,並完全關閉車輛電源。

強固型伺服器解決處理問題

小型的新創公司,有時甚至是更大型的汽車開發團隊,都很想要把功能非常強大的桌上型伺服器或筆記型電腦部署到車輛中,以便執行必要的處理工作。 這樣做會有兩個問題。

首先是典型的桌上型電腦從內部系統狀態和監控一直到外部感測器,例如高速攝影機與運動追蹤系統 LiDAR,其中擁有過多高需求的感測器輸入。 Crystal Group 工程部執行副總裁 Jim Shaw 指出:「面對傳進來的所有感測器資料,您需要非常多的運算馬力。 您不會在筆記型電腦上做這樣的事。」感測器類型很多,所以必須密切留意處理硬體和 I/O 選項的類型,因為研究團隊或製造商會根據不同需求採用不同類型。

第二個問題是應用程式的高需求性質。 坑洞可能讓記憶體鬆脫,後車廂甚至是座艙的高溫可能減損系統壽命或是造成完全故障,而高濕度或水氣凝結可能導致侵蝕或電線短路。
接著還必須應付電磁干擾 (EMI) 的問題。

最後結果是不斷蒐集和處理即時資料的自動駕駛車隊需要的可靠運作,無法依賴典型的桌上型電腦或筆記型電腦來達成目標。 Shaw 表示:「您並不想讓一隊車輛上路,然後每天經歷 10 次故障。」

為了避免在蒐集自動駕駛車資料時發生可靠度的問題,Intel® 與 Crystal Group 合作開發出用於資料收集的 RS363S15F Rugged Server 平台(圖 1)。

圖 1. Crystal Group 的 RS363S15F Rugged Server 提供異質處理架構。 (圖像來源:Crystal Group)

該伺服器利用 Crystal Group 為國防、航太和石油與天然氣產業開發強固型系統的背景。它在深度不足 15 吋的全鋁製堅固 3U 機箱中,結合了高效能運算與高容量資料儲存。重要的是,它也可以在高達攝氏 55 度的環境溫度之下以滿載容量運作,橫跨幾乎任何地形。

系統處理架構的中心是 Intel® Xeon® 處理器,搭配 Intel® Advanced Vector Extensions (Intel® AVX) 和 Intel (Altera) FPGA。 上述這些能帶來最大的處理能力和虛擬化支援,包含完整的散熱管理及最低功耗與發熱量。

然而 RS363S15F 的硬體封裝方式與其他嵌入式伺服器群有顯著差別。

強固型伺服器有哪些特色

Crystal Group 在所有機板和表面上應用比如防護塗層的技術以避免濕氣滲入,並且利用強固化程序緩和撞擊與震動的效應,預防機板或記憶體鬆脫。

為了處理電噪音,電源供應的設計遵循美軍軍規 MIL-STD-461F 標準以及 DO-160 電磁相容性規範,所以它有額外的過濾功能,可過濾輻射噪音、射頻磁化率,以及傳導放射性。
「此外,機殼具有重疊的焊縫可避免發出電磁干擾輻射,而且在 I/O 周圍必要的地方以及擴充插槽之間皆有 EMI 間隙,」Crystal Group 首席架構設計工程師 Chip Thurston 說道。

伺服器具備非常廣泛的散熱管理功能。 按照設計,它以滿載容量執行時,「正常」操作溫度大約攝氏 55 度。Thurston 表示:「現成系統所設計的溫度可能只有攝氏 30 度或 35 度而已。」 現成系統也可能未經過嚴格的測試,無法滿足「及格」的條件。Thurston 表示:「我們盡可能對零組件施加壓力,而就我們對於失敗的標準而言,錯誤的容忍度很低。[with regard to tolerances] 我們不會發生那些與環境相關的失敗。」[environmentally related]

這些系統也為封閉迴圈系統提供水冷散熱方式,追求最大散熱效果。 散熱管理的重要性不可過度誇大。 即使系統並未在現場直接發生故障,它的操作壽命也會因為設計不當而大幅減損。 「讓系統的溫度維持在更低 10 或 20 度的狀態下,可以讓它的預估壽命增加兩倍或三倍。」Thurston 說道。

讓系統溫度不升高的預設方法是使用由主機板控制的風扇,它從分散在主機板上 8 至 10 個不同的熱感測器取得輸入。

雖然從軍規伺服器邁入自動駕駛車是很自然的發展,Thurston 表示在電源供應方面仍然需要進行一些微調。軍用系統在 24 V 之下運作,而車用系統則以 12 V 運作。Crystal Group 的初始版本 RS363S15F Rugged Server 採用了向上變頻的方式,但是下一個迭代將原生支援 12 V。

結論

自動駕駛車開發以及最後的大規模部署都需要處理數量龐大的感測器資料。 雖然 CPU、FPGA 和專用硬體的均衡比例是達到最佳成本/效能比的關鍵因素,確保系統可以在極端的環境和地形中保持可靠的運作也同樣重要。Crystal Group 的 RS363S15F Rugged Server 解決了可靠度的問題。 與此同時,隨著新的技術與功能出現,而且應用程式需求隨時間改變,該款伺服器也能夠混合搭配最新的處理元件。

作者簡介

Patrick Mannion

Patrick Mannion is a independent content developer and consultant who has been analyzing developments in technology for over 25 years. Formerly Brand Director for EETimes, EDN, Embedded, Planet Analog and Embedded.com, now part of AspenCore, he has also been developing and executing community-oriented online- and events-based engineer-to-engineer learning platforms. His focus is on connecting engineers to find novel design solutions and focused skills acquisition in the areas of Embedded, IoT, Test and Measurement, RF/Wireless, and Analog & Mixed-Signal Design.

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