データ処理が高度に中央集約型のクラウドコンピューティングからエッジへと移行するにつれて、過去10年間で普及したIoT、IIoT、AIoTデバイスの成長が促進されています。エッジでデータをローカルに収集・分析する能力は、リアルタイムの意思決定、低遅延のデータ転送、より高速な全体的な処理速度を必要とする無数の革新的な機会を生み出しました。エッジでデータを処理することで、IoTデバイスは接続性が限られた遠隔地への導入に最適な選択肢となります。
遠隔地は、管理された環境を持つオフィスや工場とは異なります。システムを遠隔地に展開するということは、デバイスが様々な困難な条件や極端な環境障害（極端な温度、激しい衝撃、絶え間ない振動、塵や水への暴露など）の下で動作できなければならないことを意味します。先ほど述べた困難な環境条件の中でも、極端な温度への暴露は、困難なエッジ展開の中でもスムーズで一定のパフォーマンスを確保するために、エッジコンピューティングデバイスにとって最も重要な要因の1つです。したがって、このブログ記事では、組み込みコンピュータが備えている極端な温度耐性について議論します。
熱はどこから来るのか？
コンピューターの熱源を理解することは、IoTソリューションを戦略的に構築し、コンピューターの性能を低下させたり、コンピューターの内部コンポーネントを損傷させたりする可能性のある熱問題を解決する上で有益です。エッジデバイスは、広範囲の極端な温度に耐えるように慎重に設計されることが極めて重要です。これは、エッジアプリケーションが過酷な環境で複数の熱の課題に直面する可能性があり、重いワークロードを処理する際に内部熱源も発生するためです。
外部熱源
まもなく、エッジコンピューターとIoTデバイスは、都市から遠隔地にまで世界中に展開され、さまざまなデバイスやセンサーから散らばったデータをさまざまなプラットフォームでタスクを実行し、分析するようになるでしょう。エッジコンピューティング技術の急速な進歩により、厳しい環境条件の遠隔地へのソリューション展開が可能になりました。これらの遠隔地では、極端な暑さや極端な寒さを含む、極端な温度にさらされることがよくあります。
たとえば、石油・ガス業界における環境温度は、年間を通して信じられないほど高温になったり低温になったりすることがあります。メキシコ湾近くの陸上石油掘削装置では、高温多湿な夏の間、簡単に40℃から50℃に達することがあります。石油掘削装置周辺で働く従業員は、致命的な熱中症を防ぐために特別な保護服を着用する必要があります。したがって、この環境は標準的なデスクトップPCでは処理するには暑すぎる可能性があり、特にコンピューターが廃熱を放出する機械に取り付けられている場合、熱はさらに上昇する可能性があります。石油掘削装置は、北極のような極寒の環境に設置されることもあります。そのため、PCを導入する際は、極端な暑さへの暴露に耐えられる産業グレードのコンピューターを導入する必要があります。プレミオには、80℃に達する温度での展開に耐えられるさまざまなソリューションがあります。
北極の極寒環境では容易に-30℃に達し、北極海の最も寒い地域では常に-40℃まで低下し維持されることがあります。市販のデスクトップPCはこれらの極限環境にさらされるとすぐに故障する可能性があるため、これらの産業では過酷な環境に耐えるために産業用組み込みコンピュータが使用されています。そうは言っても、産業用組み込みPCは、極端な温度耐性が必要とされる採掘産業、自動運転車、家畜管理、海上輸送など、さまざまな産業で導入されています。
内部熱源
組み込みコンピューターに影響を与えるもう1つの熱源は、コンピューター自体の中から発生します。これは、CPU、GPU、SSD、RAM、電源などのさまざまなコンポーネントで構成される内部システムから発生する廃熱です。基本的に、熱は、システム内で流れる電子の挙動を管理するためのプロセッサーの努力から発生する廃棄物として生成されます。ワークロードと廃熱は正の相関関係にあり、システムがより多くのワークロードを実行するほど、チップはより活発になり、より多くの熱が生成され、システム内部に閉じ込められます。
とはいえ、CPUとGPUはシステム内で最も多くの熱を発生する2つのコンポーネントです。そのため、ほとんどのコンピューターシステムメーカーはCPUとGPUの冷却に注力し、熱を放散させています。GPUには独自の冷却システムさえあります。エッジコンピューティングは、AI、機械学習、深層学習をソリューションに実装しており、これがより重いワークロードを引き起こし、システム全体の廃熱を増やす可能性があります。そのため、冷却アーキテクチャを設計する際には、これらのコンポーネントの熱をいかに放散させるかに焦点を当てることが重要です。
他に注意すべきことは？
ここでは、TDP、Tジャンクション、サーマルスロットリングの3つのTについて説明します。TDPは熱設計電力の略で、プロセッサがデバイスの熱限界を超えずに実際のアプリケーションを実行しているときに生成できる最大の熱量です。TDPはワットで測定され、プロセッサが消費するエネルギー量を示し、吸収されるエネルギーが多いほど多くの廃熱が生成されます。そして、最大Tジャンクションとは、CPUが電力を削減し、サーマルスロットルして冷却し、通常の動作範囲内に留まる前に到達できる最高の温度です。高い熱点に達すると、サーマルスロットリングが発生する可能性があり、これはプロセッサが処理周波数を削減して過熱を緩和しようとするため、パフォーマンスが低下します。これらは、システムの冷却アーキテクチャを設計および計画する上で素晴らしい参考資料となります。
コンピュータが冷たすぎたり熱すぎたりするとどうなるか？
標準的なデスクトップPCの理想的な動作範囲は通常10℃～27℃で、警告レベルの温度範囲は1.7℃～32.2℃です。この警告範囲を超えると、市販のデスクトップPCは故障しやすくなります。凍結点に近づくほど冷たくなると、コンピュータの物理的特性が歪み、水分の結露によるショートのリスクがあり、過熱と比較して大きな損傷につながる可能性があります。また、システムが警告熱範囲を超えると、内部コンポーネントが熱暴走を開始し、システムが過熱し、製品寿命が劇的に短縮され、導入中にダウンタイムが発生する可能性があります。
対照的に、産業用コンピュータは、北極海のような極寒の配備では-40℃といった極低温から、湿度の高い暑い夏の環境下にある遠隔地の石油生産現場のような酷暑の配備では85℃という信じられないほどの高温まで、幅広い極端な温度に耐えることができます。極端な範囲での広い動作温度範囲を持つことで、産業用PCは頑丈なエッジコンピューティングに理想的なソリューションとなります。次に、優れた頑丈な産業用PCの背後にある設計とテスト検証について説明します。
耐久性のある産業用PCの設計図
産業用PCはどのように冷却されるか？（ファンレス設計とパッシブ冷却）
産業用組み込みコンピュータは、冷却ソリューションとしてファンレス設計を採用しています。ファンを使用するのと比較して、ファンレス設計またはパッシブ冷却方式を採用することで、さまざまなメリットが得られます。ファンレスとは、システムを冷却するためにファンを使用せずに、内部プロセッサやその他のコンポーネントによって発生する熱をコンピューターが放散できることを意味します。とはいえ、信頼性、耐久性、長寿命のシステムにとって、ファンを回避することがなぜ重要なのかをまず理解する必要があります。
ファンを使用して内部コンポーネントを冷却することは、コンピュータの冷却ニーズを解決する簡単な解決策となる可能性があります。しかし、コンピュータの冷却ソリューションにファンを使用することには、いくつかの大きな欠点があります。堅牢な産業用コンピュータの主要な設計コンセプトの1つは、可動部品を可能な限り排除することです。ファンを適用することは、故障の原因を追加し、コンピュータのダウンタイムのリスクを高めることになります。ファンがある場合、システムから熱い空気を吹き出すための通気孔が必要なため、異物や水滴から内部部品を露出させることになり、産業用PCが高いIP等級を獲得することは困難です。また、ファンがない場合、ファンの修理や適切な交換品を探す苦労はありません。これにより、システム全体のMTBF（平均故障間隔）が向上し、ダウンタイムのリスクが低減され、デバイスのライフサイクルが延長されます。さらに、ファンを避けることで、消費電力の削減、全体的な設計のクリーン化、IoT導入中の無音システムが実現します。
産業用コンピュータは、ヒートシンクを使用してシステム内部コンポーネントをパッシブ冷却し、その熱を周囲の空気中に放散させます。ヒートシンクは、銅とアルミニウムという高い熱伝導性材料で作られています。これらの超伝導性ヒートシンクは、CPUやPCH（プラットフォームコントローラハブ）など、最も熱を発生するコンピュータコンポーネントに直接配置され、迅速に熱を放散することができます。次に、ヒートシンクは熱を一体型シャーシに伝導し、熱を放散させます。
一体型シャーシは、多機能ケースとして設計されており、内部システムを極端な衝撃や振動から保護しながら、効果的に熱を放散してシステムを冷却します。これにより、CPU TDPは、ファンを使用せずに拡張された温度範囲で最大65ワットまで動作できます。
産業用組込システムのテストと検証
組み込み型産業用コンピュータが完全に信頼性があり、耐久性があり、長寿命であることを保証するために、堅牢な産業用PCは信頼できる試験施設でテストおよび検証されます。システム設計が最も過酷な条件下でもスムーズに動作できることを保証するために、デバイスが展開される極端な産業環境内の実際の状況をシミュレートするために、高度な試験施設が特別に建設されています。その後、デバイスの性能が測定および限界までテストされ、極端な温度などの過酷な環境条件に耐えられることが保証されます。極端な温度耐性をテストおよび検証する際、堅牢な産業用コンピュータは、広い極端な温度範囲能力を保証するために3つのステップを経て行われます。これらのテストは、IR熱センサー、温度・湿度チャンバー、熱衝撃ランプチャンバーを使用して検証されます。
IR熱センサー
この最初のステップの目標は、マザーボードの熱設計が指定された場所で効率的かつ効果的に熱を放散していることを検証することです。IR熱センサー（赤外線熱センサー）は、デバイスの赤外線エネルギーを検出し、特定の距離から検出できる物体によって生成される温度を正確に測定するように設計されています。
この写真では、コンピュータが特定のプログラムを実行しており、コンピュータがプログラムを実行しているときに、熱の流れと熱設計の分布がどのように機能するかを示しています。IR熱センサーを使用すると、過熱している半導体やマザーボード上の特定の領域をセンサーによって検出および正確に測定できます。このデータは分析および処理され、熱設計の出来栄えや適用すべき変更に関するフィードバックを提供します。
温度湿度チャンバー
コンピューターマザーボードの設計がIR熱センサーで検証された後、産業用堅牢コンピューターは温度・湿度チャンバーでテストされます。このチャンバーは、基本的に大きなオーブンのように機能し、コンピューターの性能を監視しながら、実際の極端な温度と相対湿度の状況をシミュレートし、極端な温度環境に導入された場合のコンピューターの耐久性と信頼性を検証するための貴重なデータを収集できます。
これらの試験方法は、国際的に認知され、国際電気標準会議によって開発されたIEC 60068規格に準拠しています。IEC試験は、電子製品が、極端な寒さや暑さの状況下で、保管、輸送、工場、運用環境、都市など、さまざまな適用条件下で生き残る能力を検証するのに役立ちます。堅牢な産業用PCは、PassMark BurnInテストソフトウェアでも検証されます。これは、特定の実行時間後にコンピュータの全体的な機能を測定する特別なソフトウェアです。この業界標準のテストソフトウェアは、過酷な展開におけるコンピュータの信頼性、安定性、耐久性を正確に表現します。
熱衝撃ランプチャンバー
さらに、堅牢な産業用コンピュータは、周囲環境の急激な温度低下に耐える能力についてもテストおよび評価されます。熱衝撃または温度衝撃試験は、過酷な環境で使用される組み込みコンピュータの構造、機械、および電子部品の全体的なハードウェア設計における信頼性を高めるためのもう1つの試験手順です。組み込みコンピュータは、熱衝撃ランプチャンバー内で空気対空気熱衝撃試験を実行するためにテストされます。一般的に、試験は複数のチャンバーを使用して迅速な熱衝撃を与えるように調整されます。高温と低温の2つのチャンバーを使用することで、デバイスを高温から低温の異なる区画に移動させることで熱衝撃を与えることが効果的です。もう1つの方法は、テスト対象を移動させる必要なく、単独で急速な温度変化を実行できるより高度でプログラム可能な熱チャンバーを使用することです。