厳しい設定ではリアルタイム処理が活用され、機械学習とAIの新たなレベルを前進させています。
ディープなリアルタイムデータは人工知能の基盤であり、インテリジェントな接続デバイスによって生成される大量のデータを産業環境が活用することが不可欠です。しかし、これらの過酷で不安定な環境では、信頼性の高い機械学習性能を達成するための障害があるため、高性能コンピューティングが十分に活用されてきませんでした。これがエッジと頑丈なエッジの違いであり、より要求の厳しいリアルタイムの産業用コンピューティングは、産業ビジネスの運営方法と競争方法を変える力を持っています。頑丈なエッジはユニークな場所であり、重工業は、さまざまなセンサー入力データによって供給されるデータ処理を加速するために、最新の高性能技術を融合したコンピューティングシステムに依存しています。
これらの厳しい環境で新たな道を切り開くために、頑丈で信頼性の高いシステムは、必要な場所で低レイテンシー、高速処理、データストレージ容量の増加を活用して、コアとの間でデータを効率的に送受信する必要があります。これは、コンピューティング、ストレージ、接続性、堅牢化といった最新のIoT技術が融合し、過酷なモバイル環境や遠隔環境で新しいレベルの信頼性を実現するものです。
システムが頑丈なエッジで生き残り、繁栄するための設計原則とは何でしょうか。これらは、テレマティクスや自律型フリートルーティングなど、現在進行中の新しいIoTアプリケーションを詳細に見ていくことで、最もよく実証できます。これらのアプリケーションでは、ハードウェアが車載コンピューターの推論分析と機械学習をサポートしています。
システムが頑丈なエッジで生き残り、繁栄するための設計原則の多くは、テレマティクスや自律型フリートルーティングなど、現在進行中の新しいIoTアプリケーションを詳細に見ていくことで実証されます。これらのアプリケーションでは、ハードウェアが車載コンピューターの推論分析と機械学習をサポートしています。
推論コンピューティングの実際
自律型フリートルーティングを成功させるには、リアルタイムで何が起こっているかを示す様々なセンサーから提供される豊富なデータが必要です。車両の効率と安全性を向上させるだけでなく、これらのデータソースは、車両追跡、ルーティング、報告、さらには車両整備の必要性の監視にも役立ちます。また、気象や交通状況に関するデータを同時に処理し、燃費を最適化します。
概念実証として、自律ルーティングアプリケーションを開発しているトラック運送会社の要件リストを以下に示します。
• 商用オフザシェルフ（COTS）の産業用グレードコンピューターによる高速なカスタマイズと展開
• 小型のシステムフットプリントで、激しい衝撃や振動に対する検証によって裏付けられた高い信頼性
• 幅広い動作温度と車両バッテリーからの入力電圧に耐えることができるファンレスコンピューティング設計
• 高価値データを集約および監視し、リアルタイムニューラルネットワークに送信するように特別に構築された組み込みアーキテクチャ構造
• リアルタイム分析とリアルタイム検出のためのコンピューティング処理を可能にするPCIe GPUサポート
• 大量の利用可能データをログに記録するための最大32テラバイトのストレージ容量
• リアルタイム処理とデータテレメトリのためのさまざまな車両との最も便利な統合を可能にする、多様なI/Oと接続オプションを備えたコンパクトなIoTゲートウェイ
これらのパラメータに基づいて開発されたシステムでは、自律走行トラックが、カメラ、LiDAR、レーダー、CANバスなど、車両に展開されたさまざまなセンサーを使用して、A地点からB地点へのルートに関するデータを取得します。車両テレマティクス、GPS、速度などの重要なデータは継続的に送信され、道路状況や障害物を含むスケジュール情報や安全データも同時に受信されます。データは収集、集約され、その後、さらなる分析のためにシステムからオフロードされます。スマートアルゴリズムは、これらのデータを使用して、車両のニューラルネットワークトレーニングを可能にするデータ集約デバイスとして、頑丈なエッジシステム自体を活用し、車両をよりインテリジェントで安全にするように訓練します。
このような推論コンピューティングアプリケーションでは、ハードウェアアクセラレーションと機械知能を介してリアルタイムで重要な決定を知らせるために、エッジ近くの強力な処理に依存することで、システムは4本足の物体が道路を横断していることを認識し、それはおそらく犬であると判断します。アルゴリズムを効果的に処理および実行するための専用ハードウェアに加えて、このアプリケーションは受動冷却設計を必要とします。これは極端な温度での動作が検証されており、衝撃や振動に対する耐性を持ち、車両バッテリーの広範囲な電圧電力保護をサポートしています。ハードウェアは、ミッションクリティカルなモバイルコンピューティングの厳しさに対応する性能のために明示的に設計されなければなりません。強力なマルチコアCPU/GPU処理、より広い帯域幅、低レイテンシー、シームレスな接続性を備えている必要があり、これらの原則は以下のセクションで概説されています。
自律走行トラックは、頑丈なエッジシステムの例です。車両に搭載された様々なセンサーでルートのデータを取得し、多くの場合、そのデータをCANバス経由で送信します。車両テレマティクス、GPS、速度などの重要なデータは継続的に送信され、道路状況や障害物などのスケジュール情報や安全データも同時に受信されます。
エッジでの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の融合
エッジコンピューターが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。システム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ため、プロセッサ構成を慎重に検討する必要があります。データテレメトリや車両の遠隔監視などのタスクを実行するシステムでは、低電力で効率的なプロセッサを活用できる場合があります。対照的に、推論分析やAIエッジコンピューティングなどの複雑で要求の厳しいワークロードを実行するには、Intel Core i3、i5、およびi7プロセッサなどの、より強力で堅牢なオプションが必要になる場合があります。低電力が要件である場合、CPUコア、統合グラフィックスGPU、メモリストレージなど、コンピュータのすべてのコンポーネントを単一の基板に組み合わせたSoC（System-on-Chip）オプションを検討してください。これにより、消費電力と性能のバランスが確保されます。
より高い電力を要求する複雑な産業用ワークロードの場合、ソケットCPUシステムが最適な選択肢となる場合があります。ソケットCPUシステムは、一般的にSoCよりも多くのコア、より高いクロック周波数のコア、より高いTDPを備えているため、SoC PCよりもはるかに高い温度で動作します。ただし、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。ソケット型CPUを使用する産業用エッジコンピューターは、最も過酷な環境で信頼性を高めるために、パッシブ冷却を使用するファンレス設計で設計することもできます。これらの種類のコンピューティングソリューションは、マルチコア性能と強化された設計における堅牢な信頼性との間で堅実なバランスを実現します。GPUやメモリなどの他のコンポーネントも、マザーボード上の他のスロットを介してシステムに手動で挿入する必要があります。
ハードウェアアクセラレーションのためにGPUを追加することは、AIおよび機械学習アプリケーションにとって理想的である可能性があります。これにより、エッジコンピューターは、データをクラウドに移動することなく、大量のデータを保存、処理、分析できます。これらは、リアルタイム推論のために、逐次CPUと比較して並列処理のための豊富なコアにアクセスします。その結果、特に従量制データプランが導入されている場合、その導入はかなりの費用とインターネット帯域幅を節約できます。
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、ほこり、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動作に耐えられるほど堅牢である必要があります。ここではファンレス設計が好まれることがよくあります。ファンや通気孔のない設計は、ほこりや破片がシステムに侵入し、デリケートな内部コンポーネントを損傷する可能性を防ぎます。
物理的なコンピューティング環境の現実に対処する
エッジコンピューティングのハードウェアは、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動作に耐えうる堅牢性を備えている必要があります。ファンレス設計は、この種の展開における決定的な特徴です。ファンや通気孔が不要なため、粉塵や破片がシステム内部に入り込み、デリケートな内部コンポーネントを損傷する可能性を防ぎます。ファンそのものをなくすことで信頼性が向上し、空冷システムの一般的な故障原因が排除されます。
システムはケーブルレスであるべきで、衝撃や振動への最適な対応を保証します。ケーブルのないシステムは、ケーブルの緩みによってシステムが動作不能になる可能性がありません。アルミニウムとスチールの筐体は環境保護戦略を完成させ、コンピューターの外側の部分を簡単に清掃できるだけでなく、水や汚れにさらされてもシステムの腐食や劣化を防ぎます。保護レベルは様々であるため、システム性能に信頼性と寿命を加える設計機能として、侵入保護等級の必要性を評価する必要があります。
応答性を高めるためのRAMの増設、信頼性を高めるためのSSD
エッジPCは、機械、設備、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、分析することが多いため、十分なストレージと高速なデータアクセスが重要な機能となります。システムにメモリを追加するほど、即時データキャッシュのためにアクセス可能なワークロードへの応答性が向上します。
長期ストレージには、小型の堅牢型PCにHDD（ハードディスクドライブ）やSSD（ソリッドステートドライブ）を搭載できます。1つのエンタープライズグレードSSDには、テラバイト単位のデータを保存でき、ハードディスクよりも高速にデータを転送できます。さらに、堅牢型PCにはNVMe SSDを搭載することも可能で、最大3,500 MB/秒の読み取り速度と最大2,500 MB/秒の書き込み速度を持つ非常に高速なストレージデバイスです。超堅牢な小型PCを構成する場合、設計者はSSDを選択すべきです。なぜなら、SSDはシリコンチップにデータを保存し、データ保存のために回転する金属プラッタに依存するハードディスクよりも桁違いに高い信頼性を提供するからです。SSDのコストは、容量あたりの価格で考えると高価になることが多いですが、衝撃や振動にさらされる可能性のあるシステムストレージにおいて信頼性と堅牢性を後回しにするのは、潜在的に近視眼的です。とはいえ、大量のデータストレージを必要とする組織向けには、追加容量としてハードディスクを追加することも可能です。例えば、長距離運転データには大容量ストレージが有効で、10GbE接続を介してデータを双方向に移動させ、機械学習アルゴリズムを継続的に改善するために効果的に保存し、アクセスできます。
広範な電源オプションがミッションクリティカルな性能を保護
幅広い入力電圧に対応した堅牢な小型PCは、9～50VDCの電源で堅牢なコンピューターシステムを稼働させることができ、異なる電源入力シナリオとの互換性を高めます。堅牢な小型PCは、過電圧保護、電力サージ保護、逆極性保護も備えている必要があります。過電圧保護は、システムが電圧が所定のレベルを超えていることを感知すると、敏感な内部コンポーネントを保護するためにシステムへの電力を遮断します。電力サージ保護は、電力サージからコンピューターシステムを保護するために必要です。システムが電力サージを検出すると、デバイス上の敏感な電子機器への損傷を防ぐために電力をアースに迂回させます。最後に、逆極性保護は、電源供給の極性が逆になった場合にシステムが損傷しないことを保証します。そのようなシステムが極性の反転を検出すると、敏感なコンポーネントが損傷するのを防ぐためにシステムへの電力が遮断されます。これらの機能は、ミッションクリティカルなエンタープライズ展開における信頼性とパフォーマンスを保証するために設計された、産業グレードのコンピューティングソリューションに特有の要件です。
豊富なI/Oが、新規およびレガシー機器との統合における柔軟性を保護
堅牢なエッジPCは、新規およびレガシーの両方の工場機械、デバイス、および機器に接続することが多いため、多様なI/Oポートと柔軟なPCIe拡張機能を提供する必要があります。また、堅牢なエッジPCは、追加のI/Oを必要とする構成に対応するために、モジュール式ドーターボードとの統合も提供する必要があります。この主要な設計機能により、IoTインテグレーターは、固定I/O構成では利用できないことが多いプラグアンドプレイオプションでI/O要件に対応できます。一般的なI/Oオプションには、最大10Gb/sのデータ転送速度が可能なUSB 3.1 Gen 2ポート、レガシーデバイス用のCOMポート、LAN/PoE+デバイス用のRJ45/M12イーサネットポート、およびオートメーションでオン/オフトリガーをプログラムするための汎用I/Oポート（GPIO）が含まれます。GPIOポートは、例えばUSBポートやレガシーシリアルポートのような共通インターフェースを持たない周辺機器、センサー、デバイスに対応できます。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、その年数に関わらずデジタルデバイスに接続することを可能にします。デバイス（またはそのセンサー）が機能していれば、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。
IoTインテグレーターは、プラグアンドプレイオプションでI/O要件に最適に対応できます。一般的なI/Oオプションには、最大10Gb/sのデータ転送速度が可能なUSB 3.1 Gen 2ポート、レガシーデバイス用のCOMポート、LAN/PoE+デバイス用のRJ45/M12イーサネットポート、およびオートメーションでオン/オフトリガーをプログラムするための汎用I/Oポート（GPIO）が含まれます。
堅牢なエッジの理解
工場設備が加工ライン上の物体を継続的に認識するように、自動運転車のテレマティクスソリューションは、機械学習を介して操作性と応答性の向上を実現します。これらのシステムは、道路状況、危険、ドライバーの操作、車両制御システムに関するデータを最小限のレイテンシで処理するために並列計算を実行します。リアルタイムで大量のデータを扱う自動ルーティングソリューションは、電子機器の信頼性問題を引き起こす可能性のある温度、衝撃、振動の範囲に耐える堅牢性を備えている必要があります。また、車両のGPS位置へのピンポイントの精度と、テレマティクス管理者がリアルタイムで何が起こっているかを監視できるように、すべてのデータを中央データベースに正確にプッシュする能力も重要です。
これらの課題は、工場現場で実現されるデータセンターの性能、スマートなワークロード統合のためのモジュール設計を利用したインテリジェントな自動販売システム、生産量と安全性を向上させるために推論コンピューティングを展開する加工工場など、多くの新たなIoTアプリケーションを代表するものです。堅牢なエッジとは何か、そしてそれが何を可能にするかを理解することは、設計者が最も過酷な遠隔およびモバイル環境で、新しくエキサイティングな推論コンピューティングアプリケーションの全範囲で目標を達成するのに役立つでしょう。
有線、無線、またはそのすべて
自動ルーティングソリューションは、タワーからフリートネットワーク全体までシームレスな接続を実現するために、様々な有線、無線、およびセルラー接続オプションに対応できる必要があります。最適化されたシステムには、Wake-on-LANとPXEのサポートとともに、1GbEから10GbEまでの非常に高速な有線データ転送用の2つのRJ45 LANポートが装備されている必要があります。最終用途のアプリケーションが追加のRJ45 LANポートまたは単一ケーブルでデータと電力を供給できるPoE+（IEEE 802.3at）対応のM12 LANポートを必要とする場合、簡単にインストールできる拡張ドーターボードを展開できます。
有線接続が利用できない場合でも、エッジコンピューターは、超高信頼性、低遅延通信のための高速ワイヤレスLAN接続に使用されるWi-Fi6（IEEE 802.11ax）オプションを介してインターネットに接続できる必要があります。Wi-Fi6は、遅延と帯域幅の点で有線LANに最も近い性能だけでなく、範囲と消費電力の構成柔軟性も提供します。Wi-Fiがない場合、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接続を介して重要なデータをオフロードできる必要があります。複数のSIMモジュールソケットも統合され、組織が冗長性のために最大2つのデータキャリアを追加できるようにする必要があります。4Gは理論上の速度で100Mbpsに達しますが、5Gは理論上の速度で10Gbpsに達します。このような高速なセルラー接続は、安定したインターネット接続が常に利用できない遠隔展開にとって非常に重要です。Bluetooth接続は、低電力デバイスに迅速かつ簡単な接続を提供する軽量テクノロジーとして追加のオプションです。BluetoothはWi-Fiが提供する速度と範囲を提供しませんが、信頼性の高い1対1および多対多の接続を提供します。