エッジコンピューティングに不可欠な10のコンピュータハードウェア要件
30年以上の産業用コンピューティングソリューションのエンジニアリングおよび製造における専門家のヒント
IoT（モノのインターネット）およびIIoT（産業用IoT）デバイスの数が増え続けるにつれて、それらによって生成されるデータの量と速度も増加しています。データの増加に対応するため、クラウドとデータセンターにかかる負担を軽減するためにエッジコンピューティングハードウェアが導入されています。それでは、エッジコンピューティングに必要なコンピュータハードウェアとは何でしょうか？以下でこの質問に詳しく答えます。
堅牢なエッジコンピュータとは？
堅牢なエッジコンピュータとは、不安定な環境での展開に耐えるように特別に設計および構築された産業用グレードの堅牢化されたコンピュータです。堅牢な機能と設計により、高い耐久性を備えて構築されています。外部ハウジングから内部コンポーネントまで、すべてが最も不安定な環境で確実に動作するようにテストおよび検証されています。 Premioは、さまざまな堅牢なエッジコンピュータを提供しています。以前のブログ記事「異なる種類のエッジコンピュータ」で、最も人気のあるエッジコンピュータとその違いをご覧ください。
エッジコンピューティングに必要な主要なコンピュータハードウェアとは？
エッジコンピューティングハードウェアは、堅牢でコンパクトで、十分なストレージ、豊富な接続オプション、広い電力範囲を備え、実行するタスクのパフォーマンス要件を満たす必要があります。エッジコンピュータは、多くの場合、過酷な環境に導入され、そこで信頼性と最適に動作する必要があるため、これらの要件を満たす必要があります。例えば、エッジコンピュータが石油生産現場に導入される場合、極端な熱、粉塵、破片への暴露に耐えることができる必要があります。以下で、エッジコンピューティングのハードウェア要件についてさらに詳しく説明します。
#1 エッジコンピュータは堅牢でファンレスである必要がある
エッジコンピューティングハードウェアは、頻繁な衝撃、振動、粉塵、破片、さらには極端な温度にさらされる不安定な環境での展開に耐えるのに十分な堅牢性が必要です。堅牢なエッジコンピュータの決定的な特徴は、そのファンレス設計です。ファンレス設計は、システムを冷却するための通気口や開口部の必要性を排除し、エッジコンピューティングハードウェアメーカーが完全に密閉されたシステムを作成できるようにします。密閉されたシステムにすることで、粉塵、汚れ、破片がシステムに侵入してデリケートな内部コンポーネントを損傷する可能性がなくなります。
さらに、エッジコンピュータで使用されているファンレス設計と広範囲温度対応コンポーネントにより、極低温および極高温への暴露に耐えることができます。実際、これらのシステムは非常に堅牢であるため、-40⁰Cから85⁰Cまでの広範な温度範囲に対応しています。これは、5⁰Cから40⁰Cまでの温度にしか耐えられない通常のデスクトップコンピュータとは大きく異なり、通常のデスクトップPCが展開できる環境を大幅に制限しています。
極端な温度への対応に加えて、堅牢なエッジコンピュータは、ケーブルをシステムからすべて排除したケーブルレス設計のおかげで、頻繁な衝撃や振動にも対応できます。ケーブルの除去により、ケーブルが緩んでシステムが動作不能になる可能性がなくなります。可動部品が少ないほど、故障する部品も少なくなります。
さらに、エッジコンピューティングハードウェアからファンが排除されました。エッジコンピュータからファンを排除することで、空冷式PCよりも大幅に信頼性が向上します。これは、ファンが多くの電子機器やコンピュータの故障の一般的な原因であるためです。したがって、ファンを排除することで、システムの信頼性と耐久性が大幅に向上し、ファンが故障したり故障しかけたりすることによって企業や組織が直面する可能性のあるダウンタイムが解消されます。
最終的に、エッジコンピューティングハードウェアは、世界中のどこにでも展開できるようになり、最も不安定な環境要素に対応しながら、最適で信頼性の高いコンピューティング能力を提供できます。これはすべて、ファンレス設計、広い動作温度範囲、衝撃・振動耐性、およびさまざまな電圧入力範囲のおかげで可能です。
#2 エッジコンピュータはパフォーマンス要件を満たす必要がある
あなたやあなたの組織が展開したいエッジコンピューティングソリューションは、展開されるタスクとワークロードを実行できる必要があります。Premioでは、エントリレベルのワークロード向けの低電力効率のエッジコンピューティングデバイスだけでなく、より複雑な産業用ワークロード向けのより強力なエッジコンピューティングソリューションも提供しています。
Premioは、SoC産業用コンピュータとソケットベースの産業用コンピュータの両方を提供しています。通常、SoC（システムオンチップ）は、コンピュータのすべてのコンポーネントを単一のシリコン基板に結合する回路基板を指します。例えば、CPU、GPU、およびメモリストレージをすべて1つのチップに搭載したSoCが見られます。SoCシステムは、エッジコンピューティングやIoTゲートウェイとして機能するなど、軽量で低電力、エントリレベルのワークロードに対して効率的である傾向があります。
しかし、ソケットPCは、CPUがソケットに機械的に取り付けられたマザーボードで構成されています。また、GPUやメモリなどの他のコンポーネントは、システムに手動で挿入する必要があります。このようなシステムは、チップがより多くのコア、より高いクロック周波数のコア、およびより高いTDPを持つ傾向があるため、SoCよりも高いパフォーマンスを持つ傾向があり、複雑な産業用ワークロードに理想的なソリューションとなります。
例えば、Intel® Celeron®やIntel® Atom®プロセッサーなどの低電力プロセッサーは、HMI、デジタルサイネージ、低電力IoTゲートウェイなどのエントリーレベルのエッジコンピューティングワークロードに最適です。しかし、Premioは、強力なソケットIntel® Core® i3、i5、i7プロセッサーを使用して構成された高性能エッジコンピューティングハードウェアも提供しています。Intel Coreシリーズの強力なプロセッサーは、Intel CeleronおよびAtomシリーズのプロセッサーよりも多くのコア、より多くのスレッド、およびより高いクロック周波数を備えており、エッジで複雑な産業ワークロードを処理できる強力なものです。
プロセッサーの構成は慎重に検討する必要があります。なぜなら、それが処理できるワークロードの数と、タスクを完了する速度を決定するからです。プロセッサーのコア数が多いほど、強力になり、タスクをより速く完了できます。CPUが遅すぎると、エッジコンピューティングシステムが遅延したり、タスクの実行に時間がかかりすぎたりする可能性があります。通常、エッジコンピュータが速いほど、生産ラインのパフォーマンスも向上します。なぜなら、高速なエッジコンピュータは、遅いコンピューティングデバイスよりも多くの製品を検査し、タスクをより迅速に実行できるからです。
エッジコンピュータがIoTデバイスから情報のみを収集していた時代は終わりました。エッジコンピューティングハードウェアの進歩により、エッジでの高性能コンピューティングが可能になりました。さらに、GPUを追加してハードウェアアクセラレーションを行うことができ、エッジコンピュータは大量のデータをクラウドに移動することなく保存、処理、分析できるため、組織は展開コストとインターネット帯域幅を大幅に節約できます。特に、使用したデータに対して料金を支払う従量制データプランを使用している場合はそうです。
#3 エッジコンピュータはコンパクトで多用途な取り付けオプションを備えている必要がある
エッジコンピューティングソリューションは、フルサイズのデスクトップコンピュータを収容するには十分な大きさではないスペースに制約のある環境に導入されることが多いため、サイズがコンパクトです。エッジPCのフットプリントが小さいため、小さなキャビネット、小さなクローゼット、家具の下、壁や天井に取り付けることができます。
産業環境での設置オプション：
- 壁面取り付け
- 天井取り付け
- 本棚取り付け
- DINレールマウント
- VESAマウント
#4 エッジPCは十分な堅牢なストレージを備えている必要がある
エッジPCは多くの場合、エッジに展開され、機械、装置、産業用IoTデバイスから収集された大量のデータを収集、処理、分析するため、エッジコンピュータにはデータを迅速に保存およびアクセスするのに十分なストレージを搭載する必要があります。
エッジコンピューティングソリューションは、ソリッドステートドライブ（SSD）またはハードドライブ（HDD）のいずれかで構成できます。 単一のエンタープライズグレードのSSDは、テラバイトのデータを保存でき、ハードドライブよりもはるかに高速でデータを転送できます。
高速データストレージを提供するだけでなく、SSDは、NANDチップにデータを保存するため、エッジコンピューティングソリューションをより堅牢にします。これは、回転する金属製のプラッターにデータを保存するHDDとは異なります。 シリコンチップにデータを保存することで、エッジコンピューティングデバイスはより堅牢になります。なぜなら、シリコンチップは回転する金属製プラッターよりも、衝撃や振動への曝露によりうまく対処できるからです。 とは言え、大量のデータストレージを必要とする組織向けに、追加のストレージとしてハードドライブを追加することも可能です。
#5 堅牢なエッジコンピュータには豊富なI/Oが必要
堅牢なエッジPCは、新旧両方の工場機械、デバイス、装置に接続する必要があるため、豊富なI/Oポートを備えています。 例えば、エッジコンピュータは、USBポート、COMポート、イーサネットポート（RJ45/M12）、および汎用I/OポートなどのI/Oポートを搭載していることがよくあります。 汎用I/O（GPIO）ポートは、USBポートやレガシーシリアルポートなどの一般的なインターフェースを持たない多数の周辺機器、センサー、デバイスに対応できるため、エッジコンピュータに含まれています。
GPIOポートに接続できるデバイスには、センサー、アラーム、モーションディテクター、生産ラインコントローラーなどがあります。 最終的に、GPIOポートは、エッジコンピューティングハードウェアが、どれほど古いものであっても他のデバイスに接続できるようにします。 デバイスやセンサーが機能する限り、エッジコンピューティングソリューションに接続できます。
#6 エッジコンピュータには、有線および無線接続オプションが豊富に必要
エッジコンピュータのコンピュータハードウェア要件には、有線と無線両方の接続オプションがあります。 そのため、エッジコンピュータは、有線接続オプションだけでなく、無線およびセルラー接続オプションも搭載しています。 ほとんどのエッジPCは、1GbEから10GbEまでの超高速有線データ転送のために2つのRJ45 LANポートを備えています。さらに、追加のRJ45 LANポートまたは、単一ケーブルでのデータおよび電源供給が可能なPoE+（IEEE 802.3at）対応のM12 LANポートが必要な場合は、簡単に取り付けられる拡張ドーターボードを介して実現できます。
有線接続が利用できない場合でも、エッジコンピュータはWi-Fi 6（IEEE 802.11ax）を搭載しているため、インターネットに接続できます。これにより、高速な無線LAN接続が可能です。 さらに、Wi-Fi接続が利用できない場合でも、エッジコンピューティングソリューションは、セルラー4G、LTE、5G接続を介してインターネットに接続し、重要なデータをオフロードできます。エッジコンピューティングハードウェアには複数のSIMモジュールソケットが搭載されており、組織は最大2つのデータキャリアを追加して冗長性を確保できます。 これにより、エッジコンピューティングハードウェアは、信頼性の高い有線および無線接続が常に利用できるとは限らない遠隔環境への展開に最適です。セルラー接続は、デバイスを遠隔監視および制御するために使用できます。
さらに、エッジコンピューティングハードウェアにはBluetooth接続機能が搭載されており、エッジコンピューティングデバイスは低電力のBluetoothおよびIoTデバイスに接続できます。 Bluetooth接続は、Wi-Fiやセルラー接続が提供する範囲と速度を提供しませんが、信頼性の高い1対1または多対多の接続を提供します。
#7 エッジコンピューティングハードウェアは広い電源範囲を持つ必要がある
エッジコンピューティングハードウェアは、異なる電源入力に依存する環境に導入されることが多いため、9～50VDCの広い電源範囲を備えており、さまざまな電源入力シナリオと互換性があります。 さらに、エッジコンピュータには、過電圧保護、逆極性保護、サージ保護などのさまざまな電源保護機能が備わっており、システムを電気的損傷から保護します。
#8 エッジコンピュータはセキュアでなければならない
エッジコンピューティングデバイスは、監視されない遠隔環境に展開されることが多いため、セキュアである必要があります。幸いなことに、エッジコンピューティングデバイスはTrusted Platform Module（TPM）2.0を搭載しています。TPM 2.0は、暗号プロセッサを利用して、統合された暗号鍵によってハードウェアを保護し、エッジコンピュータの改ざん耐性を高めるテクノロジーです。 TPM 2.0は、ブルートフォース攻撃やハードウェア盗難からシステムを保護します。
#9 エッジコンピュータはリアルタイム処理のためのパフォーマンスアクセラレータをサポートする必要がある
エッジコンピュータは、エッジでのデータの収集、保存、処理、分析に優れていますが、一部の複雑な産業ワークロードの場合、リアルタイム処理の意思決定のためにパフォーマンスアクセラレータを搭載する必要があります。 新しいコンピューティングおよびストレージ設計は、可能な限りデータに近い場所でパフォーマンスを最大化します。 エッジでの処理能力が向上するにつれて、エッジコンピューティングソリューションで最もよく使用されるパフォーマンスアクセラレータをいくつかご紹介します。 PCIeアーキテクチャを介したこれらのアドインハードウェアソリューションは、リアルタイム処理のパフォーマンスを必要とする特定のエッジコンピューティングワークロードに付加価値を提供します。
- マルチコアCPU： マルチコアの逐次処理により、プロセッサは複数のコアを利用してデータを処理できます。各コアは個別の処理デバイスとして機能し、複数のタスクを同時に実行できます（同時に実行するタスクが増えます）。CPUのコア数が多いほど、システムは複数のプロセスを同時に処理できるため、システムのパフォーマンスが向上します。
- GPU - GPUは、多くの場合、人工知能（AI）と機械学習（ML）のワークロードを高速化するためにエッジコンピュータに追加されます。 ワークロードがデータセンターやクラウドではなく、ネットワークのエッジで実行されることが増えるにつれて、アクセラレータの役割は重要性を増し続けるでしょう。 エッジに導入されたパフォーマンスアクセラレータは、エッジPCがデータ生成元に近い場所に導入されるため、ミッションクリティカルなデータを低遅延でリアルタイムに処理できます。 GPUは、逐次的なCPUとは異なり、多数のコアを並列処理に利用するため、リアルタイム処理や推論分析に非常に効果的です。
- VPU – ビジョン処理ユニットは、マシンビジョンアルゴリズムを高速化できるパフォーマンスアクセラレータです。 これは、VPUがマシンビジョン、機械学習、AI、顔認識、およびハイエンド画像処理向けに特別に最適化されており、GPUよりも少ない電力を使用するためです。 このため、VPUは、ほとんど熱を発生せず、少ない電力を使用するコンポーネントを必要とするファンレスコンピュータでの使用に最適です。 全体として、VPUの低消費電力と低熱出力は、堅牢なエッジコンピューティングソリューションでの使用に最適です。
- FPGA - フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）は、特定のワークロード向けに組み込みシステムを最適化するために使用されるパフォーマンスアクセラレータです。 FPGAは、推論分析、AI、および機械学習のための大量のデータ分析などのワークロードを高速化できます。場合によっては、ハイエンドFPGAは一部のタスクでGPUを上回り、GPUよりも少ない電力で少ない熱を発生させることができます。
- NVMe 演算ストレージ – NVMe 演算ストレージデバイスは、ドライブ上でデータストレージと処理をローカルで実行することで、エッジでのコンピューターの展開を可能にします。従来、コンピューターはストレージデバイスからデータを要求し、CPUにデータを渡すことでデータを処理していました。しかし、演算ストレージテクノロジーでは、コンピューターはストレージからデータを要求するのではなく、処理、ストレージ、メモリをすべてドライブ自体に搭載することで、操作の実行をストレージドライブ自体に要求し、より高速な処理のための即時アクセスとキャッシュを可能にします。その結果、データは処理のためにドライブから離れたり、従来のCPUデータブロックにルーティングされたりする必要がなくなり、瞬時のミッションクリティカルな処理のレイテンシーがさらに低減されます。
#10 エッジコンピューターは、テレメトリーをクラウドに渡すための認定を受ける必要があります
エッジコンピューターに必要な最後のハードウェア要件は、データテレメトリーをクラウドに渡すための認定を受けていることです。Premio Incが提供するエッジコンピューティングハードウェアは、Amazon Web Services (AWS) IoT GreengrassおよびMicrosoft Azure IoTによって、データテレメトリーをクラウドに渡すための認定を受けています。
認定されたエッジコンピューターを展開することで、AWS IoT GreengrassおよびMicrosoft Azureアプリケーションで信頼性の高いパフォーマンスを発揮することを理解した上で、エッジコンピューターハードウェアを展開できます。AWS IoT Greengrassを使用すると、エッジコンピューターを展開するユーザーは、生成されたデータに対してローカルでアクションを実行し、機械学習モデルに基づいた予測を実行しながら、必要なデータのみをクラウドに送信できます。
データをローカルで保存、処理、分析することで、処理後のデータのみがリモート監視のためにクラウドに送信されるため、データをクラウドに送信するために必要なインターネット帯域幅の量が大幅に削減されます。これは、従量制インターネットプランで帯域幅の費用を支払っている企業や組織にとって特に重要です。
結論
この時点で、エッジコンピューティングに必要なコンピューターハードウェアが何であるかは明らかになったはずです。一般的な質問やコメント、またはエッジコンピューターの購入についてのお問い合わせがありましたら、当社にご連絡ください。当社のエッジコンピューティングハードウェアスペシャリストが、エッジコンピューティングハードウェアに関するご質問に喜んでお答えいたします。
