增加工業邊緣分析無需犧牲

February 7, 2018 Brandon Lewis

資料分析正成為工業物聯網 (IIoT) 功能的固定班底。根據最近一項研究指出,69% 的決策者認為最晚到 2020 年,工業分析便會成為企業成功的關鍵,主要應用於預測性與指導性機器維護。但是工業分析在延遲、頻寬和安全性方面必須克服不少獨特的挑戰。結果,工業分析通常必須在邊緣執行,而不是在雲端。自我調整型系統尤其需要邊緣處理的功能,因為這類系統必須將即時資料再回收並傳入回饋循環,以利持續改善效能。儘管處理器速度更快,在邊緣執行工業物聯網資料分析便更具可行性,但是工業機械仍然需要低功耗的運算技術,才能長時間在條件惡劣的環境中穩定運作。而且任何新的分析解決方案必須與既有的舊系統互通操作。想要在現有控制系統上增加邊緣分析功能的工業工程師也可以選擇改造他們的設計,以增加新的處理器模組來達成目的。我們的 Intel Atom® 處理器 C3000 在運算、儲存和功能的改善能夠與能源效率達成平衡,因此要在邊緣安裝智慧便不必從頭開始。

利用 Intel Atom® 處理器獲取工業邊緣智慧

Intel Atom® 處理器擁有諸多架構性更新,與前代處理器比較,運算效能提高 2.3 倍儲存效能提高 4 倍圖 1)。每一時脈週期可執行的指令 (IPC) 增加 30%、加強指令抓取/解碼功能、改善亂序 (out-of-order, OOO) 排程以及採用新的內部架構,才能讓處理效能升級,這全部都是執行即時邊緣分析工作負載所不可或缺的。

圖 1. Intel Atom® 處理器 C3000 有多項功能升級。(資料來源:Intel)

若論記憶體,C3000 內建雙倍的 Layer 2 快取記憶體,讓邊緣分析系統可迅速存取資料。此處理器亦支援 Intelligent Storage Acceleration Library (ISA-L),這是一個軟體程式庫,針對需要高資料傳輸量及最少延遲的應用程式進行最佳化。開發人員可以利用 Storage Performance Development Kit (SPDK) 根據其使用案例調校儲存效能。Intel® SPDK 是一項開放原始碼工具組,可縮短上市時程並確保儲存伺服器和閘道的設計未來不會過時,例如工業物聯網中常見的設計(圖 2)。

圖 2. Storage Performance Development Kit (SPDK) 可確保儲存設計未來不會過時,同時縮短上市時程。(資料來源:Intel)

軟體端亦新增了對 64 位元應用程式的支援。在工業物聯網技術堆疊之較高層級使用 Intel® Xeon® 處理器或 Intel® Core 處理器的組織,可藉由 64 位元指令集的支援,將邊緣至雲端的軟體投資統合起來。而且這才不過是營運技術 (OT) 網域享受到的其中一項企業優勢而已。

邊緣的企業功能

除了運算與儲存的優勢以外,C3000 處理器包括一套硬體輔助式功能,可促進邊緣分析處理之效益。其中一例是 Intel® QuickAssist Technology (Intel® QAT),提供高達 20 Gbps 的效能,可加速和壓縮加密工作負載,確保資料安全傳輸,同時為其他任務保留珍貴的處理器時脈週期。C3000 處理器上的 Intel® 虛擬化技術也逐漸演變成 Intel® Virtualization Technology for Directed I/O (Intel® VT-d) 以及 Intel® Virtualization Technology for Connectivity (Intel® VT-c)。如圖 3 所示,Intel® VT-d 把 I/O 存取區隔並限制在特定已定義的記憶體區域。如此可避免發生與虛擬機器 (VM) 相關的 I/O 故障,並藉此改善可靠性和工廠運作時間。

圖 3.  Intel® Virtualization Technology for Directed I/O (Intel® VT-d) 把記憶體存取限制在已定義的記憶體區域。(資料來源:Intel)

Intel® VT-c 負責與全新 Intel Atom 處理器內建的 Intel® Ethernet Controller 搭配運作,實現 I/O 虛擬化與服務品質 (QoS) 的功能。藉由連接埠分隔以及執行多個發送和接收佇列的能力,讓不同 I/O 作業之間的頻寬配置達成平衡,便能實現上述功能(圖 4a 與 4b)。將主機處理器上的這類任務卸載至乙太網路控制器可減少 I/O 瓶頸並提升會產生大量感測器資料的應用程式(例如機器人)的效能。

圖 4a Intel® Virtualization Technology for Connectivity (Intel® VT-c) 可進行連接埠區隔來減少 I/O 瓶頸。(資料來源:Intel)

圖 4b Intel® Virtualization Technology for Connectivity (Intel® VT-c) 可執行多個發送與接收佇列,藉此平衡 I/O 作業。(資料來源:Intel)

這些企業級技術對工業物聯網而言是至關緊要的,因為他們允許在工業級處理器上執行多個工作負載,並有 15 年可用性保證為後盾。

可靠的改造

為了確保工業物聯網邊緣分析系統維持可靠運作,Intel Atom 處理器 C3000 擁有 Extended Ambient Operation Temperature (eTEMP) 的功能支援。這項功能可保證裝置在 -40 ºC 至 +85 ºC 的溫度範圍內保持可靠運作。處理器的耐用性亦有賴該系列的低熱設計功耗 (TDP),某些 SKU 僅有 8.5 W。因此,廠房的被動式冷卻系統也可以部署 C3000 裝置,而錯誤修正碼 (ECC) 記憶體則確保邊緣分析應用程式的資料完整性。考慮到它們具備的能力,OEM 現在提供搭載 C3000 處理器的嵌入式主機板解決方案,藉由設計即可使用工業物聯網邊緣分析。例如 Quanmax Inc. 推出的 UATX-DNV0 是一款工業級單板電腦 (SBC),它採用具有 2 至 16 核心的 Intel Atom 處理器 C3000(圖 5)。它包含四個銅線 GbE LAN 連接埠、四個光學 10 GbE LAN 連接埠以及六個 SATA 插槽。

圖 5. Quanmax Inc. 的 UATX-DNV0 是一款工業級單板電腦 (SBC)。(資料來源:Quanmax Inc.)

重要的是,UATX-DNV0 SBC 遵循工業標準的 Micro-ATX 外型規格。因此,原本支援 Micro-ATX 外型規格的機器可以整合該機板,而開發人員不必從頭設計整個系統。

工業物聯網邊緣分析讓過去和未來和諧共存

邊緣分析是工業物聯網當前的目標,但是要達成這個目標必須讓未來的技術與舊有的基礎架構和諧共存。Intel Atom 處理器 C3000 往該目標邁進了重要的一步,不但改善了效能與儲存,而且具備企業級功能和工業級的可靠性。如今,工業標準的處理器模組均提供這些進步功能,工業工程師可以善用這些功能來增加邊緣分析處理,而不需要捨棄之前的投資。他們的系統也做好了迎接工業物聯網下一階段的準備,即透過機器學習在邊緣實現自主操作。

作者簡介

Brandon Lewis

Brandon is responsible for Embedded Computing Design’s IoT Design, Automotive Embedded Systems, Security by Design, and Industrial Embedded Systems brands, where he drives content strategy, positioning, and community engagement. He is also Embedded Computing Design’s IoT Insider columnist, and enjoys covering topics that range from development kits and tools to cyber security and technology business models. Brandon received a BA in English Literature from Arizona State University, where he graduated cum laude.

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