エッジコンピューティングは、「より速く、よりスマートに、より良く」というIoTの基準を引き上げます。IoTセンサーからデータが生成される場所にテクノロジーと処理を近づけ、頑丈なエッジコンピューティングはこの戦略をより困難な物理環境へと進化させます。
不安定で制御されておらず、データセンター構造とは対照的な環境では、人間の能力やペースを超えるインテリジェンスと精度を実現するために高度なソフトウェアアルゴリズムに依存しています。これらの産業では、アルゴリズムを効率的に実行し、最も重要なリアルタイムワークロードを統合できる特殊なハードウェアへのニーズが高まっています。これは、重工業アプリケーションにおける自動化を改善し、データとローカライズされた処理で自律性を達成するための行動を提供するものです。
ほとんどのインテリジェントソフトウェアアルゴリズム（産業AIと機械学習の基盤）は、非常に軽量なレベルで実行されます。ここでの効率はリアルタイムの意思決定にとって不可欠であり、処理性能と信頼性を提供するために連携するハードウェアが必要です。
スマートハードウェア戦略でAIと予測分析の可能性を解き放つ
頑丈で高性能なシステムは、まず第一に、最も過酷な物理環境での信頼性の高い展開を可能にする必要があります。外部筐体から内部コンポーネントに至るまで、頑丈なエッジコンピューターのすべての要素は、強い振動、厳しい温度、湿気や汚れの存在などの環境問題に対処するために、機械工学と熱工学の融合を通じて専用に構築される必要があります。
これらの産業用コンピューターは、極めて高い処理能力とストレージ容量で機能を実行できるよう検証され、ダウンタイムを排除し、24時間365日の安定稼働を保証するように設計されている必要があります。スマートハードウェア戦略によりソフトウェアの性能向上に注力することで、重工業の運用は、データソース上またはデータソース付近での高速な予測分析によって強化された、リアルタイムの意思決定への新たなアクセスを拡大しています。
データは新たな金、ただしアクセスできればの話
スマートIoTアプリケーションはますます多くのデータを生成するため、スマートなデータ管理とアクセスは、自動化の向上と制御の合理化にとって不可欠です。これは、自律型フリート経路計画アプリケーションで実証できます。このアプリケーションは、さまざまなセンサーが提供する豊富なデータに依存しており、リアルタイムで何が起こっているかを示します。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、車両の追跡、経路計画、報告、さらには車両サービスの必要性の監視に役立ちます。
例えば、概念実証では、自律走行トラックは、CANバスなどの規格を介して通信するカメラ、LiDAR、レーダーなど、車両に展開されたさまざまなセンサーから、A地点からB地点への経路に関するデータを取得します。データは収集および集約され、さらなる分析やより堅牢な深層機械学習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のデータを使用して、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、車両のニューラルネットワーク訓練を促進するデータ集約デバイスとして頑丈なエッジシステムを活用します(図1)。
この種の推論コンピューティングは、路上を横断しているのが犬である可能性が高い四足動物であると認識し、エッジ付近の強力な処理に依存することで、リアルタイムで重要な意思決定を通知します。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格な要件に対応できるよう、強力なマルチコアCPU/GPU処理、高帯域幅、低遅延、シームレスな接続性を備え、性能を考慮して明示的に設計される必要があります。受動冷却設計は、極端な温度下でのシステムの動作を可能にするだけでなく、衝撃や振動に対する耐性、車両バッテリー用の広範囲な電圧電力保護もサポートするため、重要です。
これらの頑丈なエッジ設計は、SIMモジュールソケットを備えたWi-Fiおよび4G/LTE接続を介して継続的なワイヤレスモバイル接続を確保することで、タワーからフリートネットワーク全体へのシームレスな接続を実現し、さらに高い価値を提供します。このシステムは、車両CANバス通信プロトコルとの統合を通じて、フリート管理において不可欠な役割を果たします。
車両のテレマティクス、GPS、速度などの重要なデータは常に送信され、同時に、鉄道の状況や線路の障害物などのスケジュール情報と安全データが受信されます。大容量で堅牢なストレージ容量は、長距離走行データに最適であり、機械学習アルゴリズムの継続的な改善のために効果的に保存され、アクセス可能にするための双方向データ転送用の10GbE帯域幅接続も備えています。
どこでも高度な自動化が未来を切り開く
高速自動化、欠陥検出と防止、画像認識などのアプリケーションはすべて、機械が人間の能力に近づきながら、インテリジェントなトレーニングによってより速く、より正確になるエコシステムで機能します。コンピュータビジョン自体は現在、視覚技術と認知機械学習処理能力の両方を提供しており、データが生成される場所で利用できます。インテリジェントなソフトウェアアルゴリズムによって実行されるこれらのアプリケーションは、人間の脳と同じように画像を摂取し、適用します。
スマートな「物体検出」ソフトウェアが、人間の目よりも効率的に複雑な視覚タスクを処理できるようにするには、堅牢で高性能なシステムが必要です。ソフトウェアアルゴリズムに加えて、これらのシステムには、プログラムされたセンサーと、高速で画像を分析できるCPUおよびGPUコンピューティング能力が含まれています。
x86プロセッサの高速な計算能力と、先進のリアルタイムグラフィックスアクセラレータは、工場の人員よりも迅速かつ正確な結果を提供します。数千枚の画像のうち、おそらく25%が処理上の欠陥を示す可能性があることを考慮してください。これらのエラーをリアルタイムで発見することは、よりスマートな自動化とワークロード統合から直接もたらされる、ビジネスにとって大きな利点となります。
専用システムが産業用オートメーションを再定義する
AI、IoT、および接続性は連携して、安全性と性能を向上させ、メンテナンスの問題を監視および解決し、施設が最高の効率と安全性に基づいて稼働するようにします。この最適化された産業用コンピューティング環境では、データフローはサイバーフィジカルシステム（CPS）の成功にとって不可欠です。CPSは、多くの場合、組み込みコンピューター、通信ネットワーク、物理センサーを接続する閉ループで構成され、故障のない制御システムを構築します。
機械とデータ間の本質的に集中的な接続と、リアルタイムでデータを同時に生成、アクセス、使用する役割に基づき、CPSの展開はデータソース自体に近接している必要があります。しかし、システムはしばしば物理環境の厳しさによって制約を受け、待ち時間、帯域幅、信頼性の問題に非常に敏感です。これらの要因は、過酷な物理環境で人工知能と機械学習を処理するために専用に構築された頑丈なエッジコンピューティングの必要性を完全に定義しています。
頑丈なエッジシステムを介したCPSの展開では、ITインフラストラクチャが運用レベルに近づき、運用インテリジェンスと機械学習がリアルタイムの意思決定を強化します。これにより、インテリジェントな機械は人間から独立して動作できるようになり、人間はより戦略的なビジネス運用に専念できます。
このような価値は、自動生産ライン検査、インテリジェントセキュリティ監視、生物医学画像処理、視覚誘導ロボット/車両など、幅広いアプリケーションに適用されます。頑丈なハードウェアプラットフォーム上でスケーラブルな処理性能とグラフィックス性能を活用する、よりスマートでリアルタイムのデータインサイトによって、コストが削減され、安全性が向上します。
システムレベルの進化が次世代の頑丈な設計を牽引する
ファンレスの頑丈なエッジシステムは、低消費電力オプションと小規模なプロセスアーキテクチャを備えた強力なマルチコアプロセッサを組み込んでいます。インテルの第8世代および第9世代Coreプロセッサのサポートにより、最高の信頼性のために性能と熱管理のバランスが取れています。
理想的には、CPU、GPU、VPUのサポートが融合され、特定のアプリケーションワークロードによって指示されるエッジでの機械学習と推論の要件に対応し、高速10GbE接続とBluetooth、Wi-Fi、セルラー4G LTEテクノロジーなどのワイヤレスデータ通信オプションによってさらに強化されます。高速ストレージドライブとともに、これらのパフォーマンスアクセラレータは、クラウドテクノロジーに依存することなくリアルタイムのローカル処理を可能にし、扱いにくいビッグデータセットの通過によるボトルネックを排除します。
次世代の堅牢なエッジシステムは、NVM Express、つまりNon-Volatile Memory Express（NVMe）を活用しています。これは、エッジワークロードにも利点をもたらす実績のあるデータセンタープロトコルです。NVMeは、PCIeインターフェースを介したNANDや永続メモリなどの高速ストレージメディアを活用するためにゼロから設計されました。
PCIeソリッドステートドライブ（SSD）の制限に対処するため、NVMeはPCIe Gen 3プロトコルを介してCPUに直接接続することで、SATA III 6 Gb/sの6倍の速さでデータ転送を実行します（図2）。データが高性能プロセッサと同様のアーキテクチャで並列の低遅延経路を移動するため、CPUサイクルは合理化されます。
低減されたレイテンシは、読み取り/書き込み能力とスループットのIOPSを向上させ、エッジでの反射的な推論分析に必要なスケーラブルな性能を可能にします。NVMeはまた、可動部品のないフラッシュメモリにデータを保存し、SSD電力性能を規制するための統合された機能を備えた効果的な電力管理を保証することで、システムの堅牢性を高めます。
ハードウェアベースのセキュリティがリアルタイムデータの重要な保護を向上させる
頑丈なエッジについて話すとき、ハードウェアベースのセキュリティ機能はTPM 2.0ハードウェアセキュリティを介して組み込まれる必要があり、デバイス間のデジタルデータ通信を外部攻撃から保護するために暗号化キーが使用されます。これらのプロトコルは、エッジ自律性と相まって、機密データと信号を保護し、安全性の低いクラウドリソースにルーティングすることなく処理を可能にします。これは、機械が双方向で通信し、データが常に保護を必要とする頑丈なエッジコンピューティングの重要な利点です。TPM 2.0はさらに、起動プロセス中に認証キーがエクスポートされるのを防止し、自律的なレポートソフトウェアのアップロードも防止してマルウェア攻撃から防御します（図3）。
Trusted Computing Group（TCG）の対応するOpal 2.0ストレージ仕様は、SSDによって可能になる高いデータ性能を備えた頑丈なエッジシステムにさらなる価値をもたらします。Opal 2.0は、ストレージデバイスのセキュリティ機能を強化します。例えば、「常時オン」のハードウェアベースの暗号化をデフォルトとすることで、本質的に保存データに暗号化が適用されることを要求します。保存データは、ドライブが取り外されたり、紛失したり、盗まれたりしても、適切な認証と復号化なしにはアクセスしたり表示したりすることはできません。
ソフトウェアベースの暗号化に対する利点として、Opal準拠のドライブは暗号化プロセスにホストまたはシステムのサポートを必要としません。代わりに、暗号化はSSD自体で行われます。これは、頑丈なエッジ展開にとって本質的に価値があります。高性能セキュリティが存在し、すべてのデータ通信と信号伝送を保護するだけでなく、これらの要求の厳しいプロセスは効果的に、そしてパフォーマンスのボトルネックなしに処理されます。
テスト済み認定システムが重工業における実現可能性を左右する
システムレベルのアーキテクチャに関する包括的な設計、検証、および認証の知識は、これらの非常に堅牢で信頼性の高いコンピューターを開発する上で重要な要素です。幅広い動作温度、広範囲の電圧入力、高い衝撃と振動、および全体的な持続可能性をサポートするには、頑丈な産業品質に対する徹底的なテストと検証が絶対に必要です。
厳格な環境試験には、温度、湿度、熱衝撃チャンバーから、振動・衝撃試験台、信号・EMI完全性試験装置まで、幅広い機器が必要です。重工業環境では日常的に電力変動が発生する可能性があるため、電力保護評価も重要です。
CE、FCC、E-Mark、EN50155（鉄道固有）、UL（オプション）などの規制認証とコンプライアンスは、特定のシナリオにおける頑丈なエッジコンピューターの実現可能性を左右する可能性があります。業界内および業界全体での利用を拡大するためには、可能な限りこれらの指令を遵守することが最善です。
クラウド内のIoTデータに関するデータとテレメトリも考慮する必要があります。Microsoft Azure Certified for IoTに認定されたデバイスは、Microsoft Azure IoT Technologyとの準備、互換性、および使いやすさについて事前にテストされています。
Microsoft Azure IoTは、IoT資産を接続、監視、および制御するクラウドサービスのコレクションです。認定されたすべてのデバイスは、Azure IoTと連携することが保証されたハードウェアとソフトウェアを備えています。これにより、顧客はIoTプロジェクトを安心して開始でき、その過程で時間と労力を節約できます。
AWS IoT Greengrass は、IoT ネットワーク向けに、より分散化された処理プラットフォームを必要とする開発者向けの AWS のソリューションです。これにより、エッジコンピュータが収集および生成するデータに対してローカルに動作できるようになります。AWS Greengrass は、IoT デプロイメントに即時性、自律性、セキュリティを提供します。エンドユーザーは、完全に機能する接続性と幅広いデータプラットフォームのサポートを備えた、非常に堅牢なシステムで信頼性、拡張性、および長期的なパフォーマンスにアクセスできるようになります。
堅牢なエッジは、より速く、よりスマートに、より優れたものに
高度で堅牢なエッジコンピュータは、多様な高速 I/O、マルチコアアクセラレータ、ディープラーニングとネットワークエッジでの推論分析を強化するグラフィックエンジンなど、機能とコストの適切な組み合わせを提供します。拡張された製品ロードマップにより、システムの寿命が確保されます。これは、ニューラルネットワークが新しいデータでシステムをトレーニングおよび再トレーニングすることで、より大きな効率と絶え間ない改善に影響を与えても同様です。
最も要求の厳しい産業用 IoT 環境は、もはやコンピューティング上の不利な点にありません。特殊なハードウェアにより、高度なソフトウェアアルゴリズムは、堅牢な産業用アプリケーションにおける自動化のためのローカライズされたデータ処理を促進し、効率と統合に必要なインテリジェンスを提供することが可能になります。