數據處理從高度集中的雲端運算轉移到邊緣，推動了物聯網（IoT）、工業物聯網（IIoT）和人工智慧物聯網（AIoT）設備在過去十年中激增。在邊緣本地收集和分析數據的能力，創造了無數創新機會，需要即時決策、低延遲數據傳輸和更快的整體處理速度。透過在邊緣運算數據，物聯網設備是連接有限的遠端部署的絕佳選擇。
遠端位置與具有受控環境的辦公室和工廠不同。遠端部署系統意味著設備必須能夠在各種挑戰性條件和極端環境障礙下運行，例如極端溫度、劇烈震動、持續振動以及灰塵顆粒和水的暴露。從我們剛才提到的嚴苛環境條件中，暴露於極端溫度是邊緣運算設備在挑戰性邊緣部署中確保流暢和持續性能的最關鍵因素之一。因此，這篇部落格文章將討論嵌入式電腦所具備的耐極端溫度能力。
所有熱量從何而來？
了解電腦的熱源有助於策略性地建立物聯網解決方案，並解決可能降低電腦性能或損壞電腦內部組件的散熱問題。對於邊緣設備而言，精心設計以承受各種極端溫度至關重要。這是因為邊緣應用在惡劣環境中會遇到多種散熱挑戰，並且在處理繁重工作負載時也會產生內部熱源。
外部熱源
很快，邊緣電腦和物聯網設備將遍佈全球，從城市到偏遠地區，執行任務並分析來自不同設備和感測器的分散數據，跨越多個平台。邊緣運算技術的快速發展使得解決方案部署在具有嚴苛環境條件的偏遠地區。這些偏遠地區經常經歷極端溫度，包括極熱和極冷。
舉例來說，石油和天然氣產業的環境溫度可能在一年中極熱或極冷。墨西哥灣附近的陸上鑽油平台在炎熱潮濕的夏季，溫度輕易達到 40℃ 至 50℃。在鑽油平台周圍工作的員工需要穿著特殊防護服，以防止致命的熱中暑。因此，這種環境對於標準桌上型電腦來說可能過熱，尤其是如果電腦安裝在散發廢熱的機器上，熱量會增加更多。鑽油平台也可能位於北極等極端寒冷的環境中。因此，在部署 PC 時，您應該部署能夠承受極端高溫的工業級電腦。Premio 提供多種解決方案，可以承受在高達 80 攝氏度的溫度下部署。
北極的嚴寒環境輕易可達 -30℃，而北冰洋一些最冷的地方，溫度可以持續維持在 -40℃ 的低溫。商業桌上型電腦在暴露於這些極端環境時會迅速失效，因此，這些行業使用工業級嵌入式電腦來承受惡劣環境。也就是說，工業嵌入式 PC 也被各種行業所應用，包括採礦業、自動駕駛汽車、牲畜管理、海上運輸等等，這些都要求極端溫度耐受性。
內部熱源
影響嵌入式電腦的另一個熱源來自電腦本身。這是由內部系統產生的廢熱，這些系統由各種組件組成，例如 CPU、GPU、SSD、RAM、電源等。本質上，熱量是處理器努力管理在系統內流動的電子行為時產生的廢物。工作負載和熱廢物呈正相關，系統執行的工作負載越多，晶片就越活躍，從而產生並滯留在系統內的熱量就越多。
也就是說，CPU 和 GPU 是系統內部產生最多熱量的兩個組件。因此，大多數電腦系統製造商都專注於冷卻 CPU 和 GPU 以散熱，GPU 甚至有自己的冷卻系統。邊緣運算正在將 AI、機器學習和深度學習應用到其解決方案中，這可能導致更繁重的工作負載，並為整個系統產生更多廢熱。因此，在設計冷卻架構時，專注於如何散發這些組件的熱量非常重要。
您還應該注意什麼？
這裡我們將討論您應該注意的三個「T」，它們分別是 TDP、T-Junction 和熱節流。TDP 代表散熱設計功耗，它基本上是處理器在執行實際應用程式時，在不超過其設備散熱限制的情況下所能產生的最大熱量。TDP 以瓦特為單位測量，它表示處理器消耗的能量，吸收的能量越多，產生的廢熱就越多。至於最大 T-Junction，它是 CPU 在開始降低功耗和熱節流以冷卻並保持在正常操作範圍內之前所能達到的最高溫度。達到高溫點可能會導致熱節流，即由於處理器試圖透過降低處理頻率來緩解過熱而導致性能損失。這些是設計和規劃系統散熱架構的重要參考。
電腦太冷或太熱會發生什麼事？
對於標準桌上型電腦，理想的作業溫度範圍通常在 10℃ 到 27℃ 之間，而警告級別的溫度範圍則約為 1.7℃ 到 32.2℃。超過此警告範圍，商用桌上型電腦容易發生故障。當溫度過低接近冰點時，電腦的物理特性可能會彎曲，並且存在因水凝結而短路的風險，與過熱相比，可能會導致更大的損壞。此外，當系統超過警告熱量範圍時，內部組件會開始熱節流，系統可能會變得過熱，這會大大縮短產品壽命並導致部署期間停機。
相較之下，工業電腦能夠承受廣泛的極端溫度範圍，從低達 -40℃ 的極寒部署（如北冰洋），到高達 85℃ 的極熱部署（如潮濕炎熱夏季環境中的偏遠石油生產區）。具有廣泛的極端操作溫度範圍使工業級 PC 成為堅固邊緣運算的理想解決方案。接下來，我們將討論卓越堅固工業 PC 背後的設計和測試驗證。
耐用工業 PC 背後的藍圖
工業 PC 如何保持涼爽？(無風扇設計 & 被動散熱)
工業嵌入式電腦採用無風扇設計作為其散熱解決方案。與使用風扇進行冷卻相比，實施無風扇設計或被動散熱方法具有多種優勢。無風扇簡單來說，就是電腦可以在不使用風扇來冷卻系統的情況下，散發由內部處理器和其他組件產生的熱量。也就是說，您首先需要了解為什麼避開風扇對於一個可靠、耐用且壽命長的系統至關重要。
使用風扇來冷卻內部組件可能是解決電腦散熱需求的直接解決方案。然而，使用風扇作為電腦散熱解決方案帶來了幾個主要缺點。堅固型工業電腦的關鍵設計理念之一是盡可能消除移動部件。應用風扇等於增加了故障點並增加了電腦停機的風險。有了風扇，工業 PC 更難獲得高 IP 等級，因為需要通風孔將熱空氣排出系統，但同時也會讓內部零件暴露在異物顆粒和水滴中。此外，沒有風扇，就沒有修理風扇和尋找正確替換品的困擾。這使得整個系統增加了平均無故障時間 (MTBF)，降低了停機風險，並延長了設備的生命週期。此外，避免使用風扇將導致功耗降低、整體設計更簡潔，並在物聯網部署期間實現無噪音系統。
工業電腦利用散熱器被動冷卻系統內部組件，然後將熱量散發到周圍空氣中。散熱器由高導熱材料製成，即銅和鋁。這些超導散熱器直接放置在產生最多熱量的電腦組件上，例如 CPU 和 PCH (平台控制器集線器)，連接的散熱器能夠快速散發熱量。接下來，散熱器會將熱量傳導到一體式機箱，以散發熱量。
一體式機殼設計為多功能外殼，既能作為堅固的保護罩，保護內部系統免受極端衝擊和振動，同時又能有效地散熱以冷卻系統。也就是說，這使得 CPU TDP 可以在沒有任何風扇的情況下，在擴展的溫度範圍內運行高達 65 瓦。
工業嵌入式系統的測試與驗證
為確保嵌入式工業電腦完全可靠、耐用且使用壽命長，堅固型和工業 PC 都在可靠的測試設施中進行測試和驗證。為確保系統設計在最惡劣的條件下仍能平穩運行，先進的測試設施專門用於模擬設備部署的極端工業環境中的真實情況。然後，測量和測試設備的性能極限，以確保它們能夠承受極端溫度等惡劣環境條件。在測試和驗證極端溫度耐受性時，堅固型工業電腦將經過三個步驟，以確保其廣泛的極端溫度範圍能力。這些測試是使用紅外熱感測器、溫度和濕度室以及熱衝擊斜坡室進行驗證。
紅外線熱感測器
在第一步中，目標是驗證主機板的散熱設計，以確保它們在指定位置有效率地散發熱量。紅外線熱感測器或紅外線熱感測器旨在偵測設備的紅外線能量，以精確測量物體在一定距離內產生的溫度。
在這張圖片中，電腦正在執行特定程式，以顯示當電腦執行程式時，熱流和散熱設計分佈的功能。透過紅外線熱感測器，可以偵測並精確測量過熱的半導體或主機板上的特定區域。然後分析和處理這些數據，以提供關於散熱設計的優劣或應應用哪些變化的回饋。
溫度濕度試驗箱
在電腦主機板設計經過紅外線熱感測器驗證後，工業堅固型電腦會在溫度和濕度試驗箱中進行測試。此試驗箱基本上就像一個大型烤箱，能夠模擬真實世界中的極端溫度和相對濕度情況，同時監測電腦性能，以收集寶貴的數據，驗證電腦在極端溫度環境下部署時的耐用性和可靠性。
這些測試方法符合國際電工委員會（IEC）認可並制定的 IEC 60068 標準。IEC 測試有助於驗證電子產品在各種應用條件下（例如儲存、運輸、工廠、操作環境、城市等）以及在極冷和極熱情況下的生存能力。堅固型工業 PC 也經過 PassMark BurnIn 測試軟體的驗證，這是一種特殊軟體，用於測量電腦在特定運行時間後的整體功能。此業界標準測試軟體能準確呈現電腦在嚴苛部署中的可靠性、穩定性和耐用性。
冷熱衝擊測試箱
此外，堅固型工業電腦也經過測試和評估，以確保其能夠承受周圍環境中突然的溫度驟降。熱衝擊或溫度衝擊測試只是另一項測試程序，旨在確保惡劣環境中嵌入式電腦所使用的結構、機械和電子元件在整體硬體設計上具有更高的可靠性。嵌入式電腦在熱衝擊測試箱中進行測試，以執行空氣對空氣的熱衝擊測試。通常，測試會經過調整，使用多個測試箱來提供快速的熱衝擊。使用兩個具有高溫和低溫的測試箱，可以透過將設備從高溫移動到低溫的不同隔間來有效提供熱衝擊。另一種方法是使用更先進且可程式化的熱測試箱，它可以單獨執行快速的溫度變化，而無需移動被測物體。