IOT et industrie : Evertiq – Informatique de bord intégrée

Aujourd'hui, les ordinateurs intégrés sont souvent déployés en tant qu'ordinateurs périphériques. Ce n'est pas seulement un mot à la mode, mais la réponse à une demande accrue d'appareils, de machines et de systèmes connectés à l'IdO. Intel et congatec relèvent ces nouveaux défis avec un écosystème étendu fortement axé sur des solutions concrètes et allant bien au-delà des fonctions de processeur de base: les processeurs mobiles et embarqués haut de gamme d'Intel – dont la microarchitecture 14 nm ++ a été développée sous le nom de code Coffee Lake H Refresh, et qui sont récemment devenus disponibles dans plusieurs nouvelles variantes d'Intel Celeron aux processeurs Intel Core et Intel Xeon – devront souvent effectuer des tâches beaucoup plus avancées que leurs prédécesseurs. Conformément à la tendance de l'industrie 4.0, les appareils, machines et systèmes connectés à l'IdO sont soumis à des exigences considérablement plus élevées, parfois extrêmement hétérogènes.

Augmentation de la demande de systèmes en temps réel

Aujourd'hui, il est de plus en plus nécessaire de connecter des contrôleurs en temps réel classiques via des protocoles Industry 4.0 tels que MQTT, CoAP ou OPC UA en combinaison avec un réseau Ethernet synchronisé en temps standard (TSN). L'objectif est de créer une architecture orientée services (SOA) indépendante de la plate-forme pour l'Internet tactile afin de connecter des E / S intelligentes, des contrôleurs (par exemple des automates), des IHM et des enregistreurs sur le terrain, ainsi que SCADA, cloud et ERP / MES systèmes en temps réel.

Les ordinateurs embarqués sont soumis à des exigences croissantes, parfois très hétérogènes. Avec un ordinateur sur module à 6 cœurs basé sur les nouveaux processeurs Intel Xeon E-2276ME, Intel Xeon E-2276ML ou Intel Core i7-9850HL, un système pourrait exécuter chacune de ces tâches dans l'une des 12 machines virtuelles dédiées théoriquement possibles , compte tenu de l'utilisation d'une technologie d'hyperviseur appropriée telle que celle des systèmes en temps réel et d'une allocation d'interface judicieuse.

Augmentation significative des exigences de sécurité

La connectivité réseau élevée que cela nécessite ouvre des risques de sécurité, ce qui conduit à la nécessité d'intégrer davantage de fonctions de sécurité. Les exemples sont une identité inviolable unique pour authentifier chaque appareil; mettre en œuvre une authentification sécurisée et partager les informations d'identification entre le système embarqué et le réseau; assurer la fonctionnalité appropriée de l'appareil en validant les logiciels installés et les mises à jour; utiliser la cryptographie pour toutes les communications réseau; et protéger les informations stockées. Sans oublier les fonctions de mise en réseau définies par logiciel telles que les systèmes de prévention et de détection des intrusions, qui analysent le trafic de données en parallèle aux applications et évitent ainsi les latences qui pourraient survenir avec les analyses et applications série.

Besoin accru d'analyses de périphérie et de connectivité IoT

En outre, il existe également une demande croissante pour l'analyse des données spécifiques au fabricant à la périphérie des appareils, des machines et des systèmes pour de nouveaux services de maintenance prédictive et de paiement à l'utilisation par abonnement. En effet, il est plus logique de prendre des décisions localement. Seules les données les plus importantes telles que les messages d'état et d'alarme sont transmises. Si l'analyse locale nécessite des données d'image pour l'IA, le regroupement d'une puissance de calcul élevée et de graphiques intégrés au processeur avec la distribution Intel de la boîte à outils OpenVINO fournit une solution pratique. Il peut être utilisé pour mettre en œuvre efficacement des fonctions biométriques intelligentes telles que la reconnaissance des visages et des gestes, qui trouvent leur chemin dans de nombreuses applications de vente au détail, de surveillance du trafic, de ville intelligente ainsi que de machines industrielles.

Une fois l'analyse des bords en place, la prochaine chose requise pour l'échange de données sont des passerelles IoT appropriées – par exemple configurable pour 3G / 4G / 5G ou LPWAN tels que LoRa, NB IoT ou Sigfox (alias 0G) – afin d'envoyer des alarmes aux clouds centraux, ou de connecter les systèmes aux systèmes de gestion des abonnements et de facturation agiles tels que Zuora. Dans le domaine de la robotique intelligente, les performances accrues de l'IA des nouvelles plates-formes Intel et la conscience de la situation que cela permet sont, par exemple, utilisées pour mettre en œuvre des applications robotiques collaboratives. Ceux-ci utilisent souvent également des GPU dédiés à usage général tels que ceux de Nvidia (Cuda) ou AMD (OpenCL), qui sont prédestinés au traitement parallèle des données dans l'analyse d'images.

Tâches hétérogènes multiples – exécutées en parallèle dans un seul système

La solution souhaitée fournit toutes ces fonctions dans un seul système informatique de bord intégré. Et comme la communication en temps réel via Ethernet fonctionne également via des machines virtuelles, les OEM ne sont que trop ravis lorsque plusieurs contrôleurs interactifs peuvent être combinés sur une même plate-forme matérielle car cela réduit les coûts matériels car une seule plate-forme est nécessaire pour contrôler plusieurs autonomes, de plus en plus collaboratifs ou même robots coopératifs. Avec l'informatique de pointe, le développement de systèmes embarqués est clairement devenu beaucoup plus complexe qu'il y a quelques années à peine, lorsque les systèmes autonomes, largement autarciques, étaient répandus.

Divers tests de performances illustrent les principaux avantages qui peuvent être obtenus avec les ordinateurs sur modules congatec basés sur la nouvelle microarchitecture Intel Coffee Lake H Refresh.
Augmentation considérable des performances grâce aux nouveaux processeurs Intel

Compte tenu de toutes ces exigences hétérogènes, il est très bienvenu que la nouvelle microarchitecture Intel offre un bond significatif en termes de performances pour un TDP donné. Le fer de lance en termes de puissance de calcul est le processeur Intel Xeon E-2276ME à 6 cœurs à 2,8 GHz avec un TDP de 45 watts. Il offre les performances informatiques embarquées les plus élevées avec des graphiques haute performance intégrés actuellement disponibles. Associé à la technologie de mémoire Intel Optane, vous obtenez des systèmes embarqués extrêmement puissants qui offrent un démarrage et un démarrage d'applications ultra rapides tout en économisant beaucoup de temps lors du stockage de fichiers volumineux.

De nombreuses fonctionnalités font de la microarchitecture Coffee Lake H Refresh un ajustement parfait pour l'informatique de bord

Les processeurs Intel Xeon E-2276ML et Intel Core i7-9850HL à 6 cœurs, qui offrent un TDP de seulement 25 watts, méritent également une mention spéciale. Ils permettent aux développeurs de concevoir des systèmes informatiques embarqués complètement refroidis passivement qui peuvent exécuter jusqu'à 12 machines virtuelles autonomes en parallèle grâce à l'hyperthreading. Étant donné que ces processeurs sont de faible puissance, ils peuvent être utilisés dans des systèmes entièrement fermés sans ventilateur dans les conditions environnementales les plus difficiles avec les classes de protection IP les plus élevées. Il en va de même pour les deux processeurs quad-core Intel Xeon E-2254ML et Intel Core i3-9100HL, ainsi que pour le processeur Intel Celeron G4932E. Eux aussi ont tous un TDP bas – partiellement configurable – de 25 watts.

Utilisation de la technologie d'hyperviseur pour consolider les plates-formes informatiques de pointe

Pour être en mesure de mettre en œuvre les différentes tâches à la périphérie de la manière la plus rentable possible, les clients OEM utilisent de telles plates-formes multicœurs pour consolider plusieurs systèmes précédemment exploités séparément sur un seul ordinateur de bord intégré. Les technologies de virtualisation, telles que celles proposées par congatec sur la base de l'hyperviseur RTS de Real-Time Systems, rendent cette approche particulièrement efficace. Le fait que Real-Time Systems appartient à congatec signifie qu'il est facile de faire évoluer la solution. Après tout, le fait que l'hyperviseur RTS prend en charge toutes les plates-formes x86 actuelles ne signifie pas que chaque plate-forme de chaque fournisseur d'informatique embarquée a été validée et testée avec l'hyperviseur. La même chose s'applique naturellement à tous les autres composants et fonctions dont les OEM ont besoin: Idéalement, leur interaction devrait avoir été testée et validée à l'avance.

Capacités multifonctionnelles éprouvées

De nombreuses preuves de concept ont récemment été mises en œuvre afin de démontrer que les nouvelles plateformes congatec peuvent gérer à la fois les fonctions individuelles requises et l'interaction entre les éléments individuels. Par exemple, congatec a déjà implémenté TSN sur ses SBC et ses cartes porteuses et a présenté ces solutions, ainsi que l’Intel IP associé, lors de divers salons. Ils ont utilisé un contrôleur Ethernet Intel, qui est souvent un équipement standard dans les conceptions intégrées et un facteur clé pour les perspectives d'avenir prometteuses de la communication OPC UA via TSN basée sur des normes ouvertes.

La vision embarquée avec l'intelligence artificielle est un vaste domaine de développement de l'informatique embarquée pour laquelle congatec propose un écosystème complet en coopération avec Basler.

Plusieurs plateformes de vision embarquée avec IA intégrée ont également été présentées en coopération avec Basler, une société spécialisée dans la vision industrielle. Les plates-formes multifonctionnelles qui intègrent toutes les fonctions mentionnées sont déjà disponibles en tant que plate-forme informatique de pointe industrielle, basée sur des modules COM Express Type 6 avec processeurs Intel Xeon et comportant trois machines virtuelles préconfigurées prêtes pour l'application. L'un exploite une caméra de vision Basler où la reconnaissance d'objet basée sur la vision s'exécute sous Linux via le logiciel Intel OpenVINO. Les algorithmes d'IA sont exécutés sur une carte FPGA Intel Arria 10 de Refexces. Deux partitions indépendantes en temps réel exécutent Linux en temps réel pour équilibrer chacune un pendule inverse en temps réel. Avec relativement peu d'étapes, il est possible d'intégrer un contrôleur déjà existant, basé par exemple sur Codesys, dans une telle plate-forme, le transformant ainsi facilement en une puissante plate-forme informatique de pointe qui peut être étendue avec de nombreuses fonctions supplémentaires – y compris l'IA basée sur la modélisation clairsemée , où seules quelques images sont nécessaires pour obtenir de nouveaux systèmes d'inférence qui correspondent à la tâche de fabrication et à la situation d'éclairage. Cela peut même être calculé sur le système embarqué lui-même, car la modélisation clairsemée nécessite beaucoup moins de puissance de calcul que le deep learning conventionnel. Ici aussi, congatec a déjà développé avec le fournisseur japonais d'intelligence artificielle Hacarus des solutions adaptées qui seront bientôt disponibles en Europe également.

Paramètres matériels testés pour la capacité en temps réel

Ces plates-formes de démonstration validées et testées de manière fonctionnelle peuvent constituer une base importante pour leurs propres développements. Des tests internes à long terme appropriés du comportement en temps réel, qui peuvent également être fournis par OSADL et validés en externe, sont standard, de sorte que les OEM peuvent obtenir des configurations validées en temps réel des plates-formes sans avoir à investir elles-mêmes des efforts d'ingénierie. Alors que l'interaction avec l'application elle-même doit encore être validée, les erreurs dans les paramètres matériels peuvent être efficacement exclues dès le départ. Ces configurations spéciales et les tests correspondants deviennent de plus en plus importants car la gestion thermique intégrée au processeur est en partie en contradiction avec un comportement déterministe en temps réel. Si la documentation de la conception en temps réel fait déjà partie de la livraison standard, les OEM n'ont pas à gérer ces détails de configuration matérielle.

Système de gestion à distance pour les ordinateurs périphériques

Pour les systèmes distribués, des fonctions complètes de fiabilité, de disponibilité et de facilité de maintenance (RAS) sont également importantes. Ils peuvent être mis en œuvre avec des contrôleurs de gestion de carte (BMC) spécifiques pour permettre l'accès au système hors service / hors bande pour les périphériques périphériques. Cela permettra à terme la mise en œuvre de fonctions de surveillance, de gestion et de maintenance à distance très efficaces, similaires à celles des centres de données commerciaux, pour optimiser le coût total de possession (TCO) des appareils distribués. Cependant, tout cela doit également être conçu pour s'adapter aux environnements difficiles. En plus des fonctions intégrées au processeur d'Intel – telles que la technologie Intel Active Management pour la gestion hors bande – congatec propose également des implémentations BMC dédiées pour les cartes de support à côté de ses ordinateurs sur modules. Côté processeur, congatec a opté pour l'AST2500 BMC d'ASPEED, qui est basé sur un processeur ARM11 à 800 MHz, prend en charge la DDR4 à 1600 Mbps et fournit un VGA PCIe 2D sur puce pour la console de gestion.

Utilisation d'API intégrées pour l'IoT

congatec a optimisé le micrologiciel BMC pour répondre aux exigences de la gestion informatique embarquée. Cela inclut la possibilité d'utiliser les API intégrées de la norme COM Express Type 6 pour implémenter tous les journaux d'événements et alertes nécessaires dans le système de gestion à distance. De plus, les commandes de contrôle de l'alimentation du châssis IPMI, KVM et les capacités de redirection de média ont été implémentées pour prendre en charge à la fois les consoles de serveur connectées localement et le KVM distant. Une console de débogage d'hôte et une commutation de sortie entre les différentes cibles du système hôte complètent la version 1.0 de cette version. Pour garantir le bon fonctionnement de tout cela, les nouveaux COM prennent également en charge Intel Software Guard Extensions (SGX) 1.0, Intel Trusted Execution Engine 3.0 et Intel Platform Trust Technology. Des implémentations de cartes de support appropriées des modules TPM sont également fournies sur demande pour permettre une prise en charge complète de toutes les fonctions de sécurité importantes.

Les ordinateurs sur modules conga-TS370 COM Express de type 6 peuvent désormais être commandés dans 13 configurations standard. Le fer de lance en termes de puissance de calcul est le processeur Intel Xeon E-2276ME 2,8 cœurs à 6 GHz avec un TDP de 45 watts. Aujourd'hui, il offre les performances informatiques embarquées les plus élevées avec des graphiques haute performance intégrés dans le monde entier. Le module processeur Intel Celeron G4930E 2,4 GHz de 35 watts établit également la nouvelle référence en termes de rapport qualité-prix.

Ordinateur sur modules avec fonctions de périphérie intégrées

Si nécessaire, toutes ces fonctions de bord hétérogènes sont incluses dans les Computer-on-Modules de congatec. Ils offrent bien plus que les avantages standard des cartes ou modules informatiques embarqués, tels que ceux proposés par congatec pour les nouveaux processeurs Coffee Lake H Refresh basés sur COM Express Type 6. Cependant, l'extensibilité extrêmement élevée des modules – dont il existe 13 au total – reste intéressant pour équilibrer de manière optimale les performances des applications ainsi que l'ingénierie en boucle fermée, ce qui fait de la technologie Intel – non seulement, mais aussi – la plate-forme de choix comme écosystème pour beaucoup. Et oui, les modules sont également des plates-formes prêtes pour les applications, ce qui fait gagner beaucoup de temps aux développeurs par rapport aux conceptions entièrement personnalisées, à commencer par la conception BIOS / UEFI et BSP pour tous les composants. Selon l'application, jusqu'à 90% d'efforts d'ingénierie en moins sont nécessaires si des cartes de support (d'évaluation) entièrement développées peuvent être amenées à la production en série avec quelques modifications. Ce n'est plus un secret non plus que les ordinateurs sur modules garantissent la disponibilité à long terme des applications dédiées en permettant d'échanger de nouveaux modules à fonctions identiques lorsqu'un processeur arrive en fin de vie – et grâce aux progrès de la technologie du processeur, ces nouveaux modules consomment généralement moins d'énergie et coûtent moins cher. Mais dans l'ensemble, il est évident qu'une plate-forme informatique embarquée à utiliser en périphérie – ce qui sera presque toujours le cas à l'avenir – doit offrir bien plus que cela.

congatec propose une solution de refroidissement adaptée à chaque classe TDP des 13 différents ordinateurs sur modules – cela inclut un adaptateur de caloduc standardisé pour permettre le refroidissement sans ventilateur même des systèmes à TDP élevé.

Au-delà de la préparation aux applications

Une grande partie de l'action se passe dans le support logiciel, y compris les conceptions de cartes de support correspondantes. Machines virtuelles, OPC UA en temps réel basé sur TSN, racine de confiance basée sur le matériel et la sécurité, gestion à distance au niveau du serveur, analyse vidéo et analyse de périphérie générale avec IA: tout cela nécessite de nombreuses nouvelles fonctionnalités que les ordinateurs de périphérie intégrés doivent prendre en charge au-delà leurs performances informatiques inhérentes, au-delà des interfaces et au-delà de la prise en charge du système d'exploitation. Il est donc bon que les fournisseurs d'informatique embarquée tels que congatec s'occupent exactement de toutes ces tâches liées au matériel – sans dériver vers les zones liées au cloud, pour lesquelles il existe des spécialistes informatiques et cloud dédiés qui sont généralement meilleurs que certains ateliers étendus d'autres embarqués. fournisseurs informatiques. Ici aussi, se concentrer sur les compétences de base est à l'ordre du jour. De cette façon, les développeurs d'applications travaillant pour les OEM bénéficient de plates-formes de solutions personnalisées où toutes les nouvelles fonctions de périphérie pilotées par l'IIoT – qui deviennent rapidement la norme pour les ordinateurs de périphérie embarqués industriels – peuvent être obtenues à partir d'une seule source. Il s'agit de la seule solution leur permettant de se concentrer pleinement sur le développement de leurs nouvelles applications, sans avoir à lutter contre des problèmes auxquels tout ordinateur de bord intégré devrait répondre aujourd'hui. Soit dit en passant, le conseil en gestion, la technologie et les prestataires de services d'externalisation commencent de plus en plus à apprécier ces plates-formes prêtes à l'emploi. Cela montre que les nouveaux modèles commerciaux créent également de nouveaux groupes cibles de clients pour la technologie informatique intégrée.

Dans les grandes séries, il est possible de fusionner les ordinateurs sur modules et les cartes de support en conceptions personnalisées complètes.

Disponible aujourd'hui

Les ordinateurs sur modules conga-TS370 COM Express de type 6 avec fonctions de périphérie configurées sur mesure peuvent désormais être commandés en 13 versions standard, y compris la prise en charge de l'intégration individuelle ainsi que des services de conception en option. Même des conceptions entièrement personnalisées avec COM économique et fusion de porteurs sont possibles. Quelle que soit la solution finalement adaptée à l'application: toutes les solutions sont également disponibles avec des dissipateurs de chaleur et des systèmes de refroidissement appropriés, que les clients OEM peuvent obtenir auprès de congatec à partir d'une seule source – y compris même un adaptateur de caloduc standardisé pour le refroidissement sans ventilateur des systèmes à TDP élevé.

Auteur: Andreas Bergbauer est Product Line Manager pour COM Express chez congatec AG

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