L’IA nell’edge computing e la nuova sfida per i pc industriali

Il cloud computing è stato negli ultimi anni lo strumento principe della trasformazione digitale delle aziende, grazie alle doti di flessibilità e scalabilità che consentono di rispondere alle esigenze di un pubblico vasto e distribuito, e alla disponibilità iniziale di soluzioni tecnologiche pronte all’uso, come modelli di intelligenza artificiale.

In ambito industriale, dove i paradigmi di Industria 4.0 e Internet of Things hanno guidato la convergenza tra i mondi Information Technology e Operational Technology, però, il cloud non si è rivelato affatto una soluzione adatta a tutte le necessità.

L’approccio “sensor to cloud” è infatti spesso difficilmente implementabile in fabbrica per una serie di motivazioni.

• In primo luogo, questo approccio prevede che l’intero carico di lavoro venga demandato al data-center ponendo grandi sfide dal punto della connettività e della banda passante.
• Contestualmente, le latenze nella trasmissione dei dati costituiscono un grande limite per le applicazioni real-time, molto diffuse nell’ambiente di fabbrica.
• Infine, l‘eterogeneità delle interfacce e dell’ambiente industriale richiedono spesso l’uso di computer con funzionalità di gateway per mettere in comunicazione differenti elementi del macchinario o dell’impianto.

Queste sfide applicative hanno quindi favorito l’implementazione di computer a bordo macchina come dispositivo di congiunzione tra il campo ed eventualmente il cloud o un server privato. È il cosiddetto edge computing, l’approccio architetturale attualmente preferito per le applicazioni industriali. In questo tipo di approccio il carico di lavoro viene ripartito tra il computer Edge e il cloud o il server privato.

Prestazioni da server, affidabilità da pc industriale

L’aumento della richiesta di prestazioni e funzionalità trainato da tecnologie come intelligenza artificiale, visione artificiale e data analytics, insieme a una tendenza al consolidamento di più funzioni sullo stesso hardware, stanno trasformando quelli che erano semplici pc di controllo e raccolta dati in unità di elaborazione intensiva che offrono molte delle prestazioni e funzionalità tipiche del cloud o del data center, ma vengono installati direttamente sul campo.

Per questo, le specifiche richieste per PC industriali dedicati ad applicazioni edge in fabbrica si avvicinano sempre di più a quelle del mondo server dal punto di vista delle funzioni, con processori veloci, grandi quantità di memoria e uno o più acceleratori GPU per il calcolo parallelo, ma allo stesso tempo richiedono la robustezza tipica dei PC industriali.

La tendenza è stata favorita anche dalla miniaturizzazione delle tecnologie di processo dei microprocessori, che consentono di avere CPU molto potenti pur mantenendo bassi i consumi e le necessità di dissipazione del calore.

“A partire dal 2019, le vendite di sistemi ad alte prestazioni (Intel Core & Xeon) hanno superato a livello di unità quelle del comparto entry-level (Intel Atom, Celeron e Pentium) nel comparto dei PC Embedded e Touch Panel PC – afferma Roberto Del Corno, sales manager di Contradata, distributore specializzato nei pc industriali ed embedded – Tra i sistemi di punta oggi spiccano sistemi basati su processori di nona generazione Intel Core con architetture fino a otto core e GPU integrata ad alte prestazioni in dissipazione fanless”.

PC industriali per edge computing: caratteristiche ed esempi

I pc industriali sono costruiti per resistere a condizioni ambientali e sollecitazioni estreme: temperatura, umidità, polveri, shock meccanici, vibrazioni, sbalzi nell’alimentazione elettrica e forti campi elettromagnetici. È evidente come la realizzazione di tali tipi di sistemi richieda elevate capacità di progettazione, anche considerando la necessità di mantenere competitivo il costo.

La gamma di PC industriali Contradata è quindi stata selezionata per rispondere alle severe esigenze delle applicazioni a bordo macchina, che possono essere riassunte in 3 aree fondamentali: prestazioni, affidabilità, adattabilità e continuità nel tempo.

Prestazioni

Tutti i sistemi sono stati sviluppati per offrire il 100% delle prestazioni della CPU, anche agli estremi della temperatura dichiarata e senza incorrere in fenomeni di riduzione della frequenza a causa del surriscaldamento della CPU (Thermal Trottling).

A livello prestazionale l’utente può oggi beneficiare di soluzioni PC Embedded per processori fino a 95W di potenza con possibilità di integrare GPU fino a 100W, offrendo soluzioni oltre i 200 Watt di power budget in dissipazione passiva (fanless), per evitare l’accumulo di polveri sui circuiti.

L’implementazione di algoritmi di visione e di intelligenza artificiale ha infatti contribuito a far crescere la richiesta di soluzioni basate su architetture GPU (Graphic Processor Unit) e VPU (Vision Processing Unit) alzando ulteriormente l’asticella in termini di dissipazione passiva del calore.

Affidabilità

Dal punto di vista dell’affidabilità, i sistemi Contradata, totalmente fanless e cable-free, sono stati progettati per essere impiegati nelle applicazioni industriali più severe. La scelta di componenti 100% industrial grade e il design elettro-meccanico sono stati concepiti per lavorare con temperature operative estreme (da -40°+70°C), resistere a shock e vibrazioni tipici di ambienti ferroviari o automotive (50Grms/5Gmrs) e valori di MTBF (Medium Time Between Failure) superiori a 400.000 ore.

Essendo inoltre l’ambiente di fabbrica particolarmente gravoso dal punto di vista dell’alimentazione e dei disturbi, tutti i sistemi sono stati progettati per lavorare su un range compreso tra 9 e 48 V in corrente continua con protezioni per sovra-correnti, sovra-tensioni e polarità inversa.

Tutte le porte I/O hanno inoltre protezione ESD e opto-isolamento per la funzionalità digital I/O.

Flessibilità

Un terzo punto, fondamentale per far fronte all’eterogeneità della fabbrica, riguarda l’adattabilità dei sistemi, sfruttando una modularità che consente di aggiungere funzioni on-demand per meglio adattarsi ad ogni singola applicazione di fabbrica.

È proprio in quest’ottica che i sistemi sono stati progettati in maniera altamente modulare. Grazie a sistemi di connessione flessibili e robusti, l’utente può aggiungere una serie di funzionalità su richiesta. Per esempio, si possono aggiungere porte I/O come RS-232/422/485, digital I/O opto-isolati, porte Ethernet da 1GB a 10GB, interfacce di comunicazione, schede GPU e molte altre funzionalità.

Tutti i sistemi Contradata possono essere personalizzati e vengono configurati sulle specifiche esigenze del cliente all’interno di un’attrezzata area produttiva EPA certificata ISO-9001:2015 (Electronic Protected Area). All’integrazione hardware, Contradata offre in aggiunta un efficiente servizio di personalizzazione per sistemi operativi embedded come Windows 10 IoT Enterprise, con la possibilità di pre-caricare il software applicativo del cliente.

Anche le procedure di test dei sistemi possono essere personalizzate in base alle specifiche esigenze del cliente, in modo da fornire ad OEM e System Integrator soluzioni chiavi in mano. Un ultimo punto, fondamentale per i costruttori di macchinari, è relativo alla continuità di prodotto nel tempo, necessaria per non dovere ricorrere a continui re-design e ricertificazioni del macchinario, e la reperibilità dei ricambi garantita nel tempo. Il tutto si traduce in sistemi con una prospettiva di vita che arriva fino a 15 anni dall’introduzione sul mercato.

GP-3000 di Cincoze: un pc industriale per intelligenza artificiale nell’edge

Un esempio perfetto di tutto quanto citato finora è il computer industriale GP-3000 di Cincoze, particolarmente indicato per quelle applicazioni Edge che richiedono la potenza di elaborazione parallela delle GPU. In ambito industriale, per fare alcuni esempi, applicazioni che sfruttano la visione artificiale per rilevare pezzi non conformi, analisi real time di numerosi parametri per scatenare allarmi o manutenzione predittiva dello stato di usura di macchine e impianti.

Il Cincoze GP-3000 ha infatti una GPU Expansion Box che permette di aggiungere una o due schede grafiche di fascia alta full lenght (fino a 328 mm), con slot da PCI Express x1 a PCI Express x16, TDP fino a 250 watt per ciascuna scheda grafica e un TDP complessivo del sistema di 720 watt. L’aspetto più interessante è che per la componente CPU è stato possibile mantenere un’architettura fanless, mentre le sole GPU sono raffreddate da un sistema di ventole attive ad alta affidabilità.

Sono presenti ben cinque porte LAN e sei USB 3.2. Ulteriori connessioni, come PoE o LAN 10 Gb/s, possono essere aggiunte sfruttando il design modulare proprietario CMI e CFM di Cincoze.

Il tutto sempre mantenendo le caratteristiche di resistenza agli ambienti operativi estremi, e il sistema è certificato anche per applicazioni ferroviarie e automotive, attraverso il modulo opzionale power ignition IGN.