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利用工作負載整合加速工業4.0的實現

Intel工作負載整合強化邊緣運算。

工作負載整合(Workload Consolidation)並不是一個新概念,透過運用軟體和硬體整合的技術,把過去在專用硬體平台上執行的各種企業應用程式整合在一個硬體平台上,多年來它已成為IT基礎架構的一部分,並為業者帶來更低的IT成本、更高效的運作、以及更易於管理和存取資料等多重效益。

同樣地,在工業4.0趨勢推動下,製造工廠正積極朝數位化及物聯網(IoT)應用轉型。但是,現有許多工廠仍採用各種專屬設備以及特定廠商的系統來執行既有的工廠自動化運作,將難以因應裝置彼此互通與擴充的需求。此外,隨著邊緣運算的發展,更多的邊緣裝置須具備更高的運算能力來支援深度學習、預測性維修分析等新的工作負載。為了在IoT世代中提升營運效率並保持競爭優勢,製造業者正尋求新的技術將各種既有以及新的工作負載整合在更少的硬體平台上,這已使工作負載整合技術的重要性日益凸顯,更成為實現工業4.0的重要關鍵。

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虛擬化系統解決方案。

工作負載整合解決的問題與效益

由於工廠將佈署各種感測器,預估未來的智慧工廠一天將產生高達1PB的資料量。這些大數據無法都在雲端進行運算,勢必需要具備更高運算能力的終端裝置來處理。根據IDC的預測,隨著IoT的發展,在頻寬資源、安全性與即時回應等各種考量下,2019年將有45%的數據量會在邊緣裝置進行儲存、控制與分析。

然而,多年來工廠中的機器設備,包括PLC、HMI、IPC和PAC等,大都是來自不同的供應商,採用不同的專屬軟體及協定來執行各別的特定功能,彼此不具互通性,無法共享資源並處理IoT佈署所產生的龐大資料量。而且,此架構會提升系統的複雜度、增加維護成本,難以因應業務的成長進行擴充。

要解決此問題,可透過導入工作負載整合技術,利用開放性運算技術來取代各個專屬用途的硬體設備,並把多個運算作業整合到少數的硬體平台上。由於精簡了硬體基礎架構,並能更充分利用既有資源,將有助於實現最佳化運作。因此,它能為製造商帶來顯著的固定投資成本(CapEx)降低,同時藉由提升效率與簡化作業,也能減少營運成本(OpEx)。

除了提升既有作業的效率之外,更重要的是,新一代的智慧工廠還將導入AI深度學習、功能性安全(Functional Safety)、預測性維修、安全功能等新的技術,如果既有的基礎架構運算能力不足,又不易升級,將會成為邁向工業4.0的一大障礙。

此外,由於採用標準的硬體平台,業者的選擇性更多,不會受限於專屬的設備供應商,系統的建置更具彈性,維修也更為簡易,可降低整體的擁有成本(TCO)。

現代化的工業IoT架構

現代化的工業IoT基礎架構是軟體定義與驅動的。透過採用工作負載整合技術,能把硬體從軟體分離出來,把作業功能性轉換為應用程式,而不是專用的硬體設備。每個軟體定義的環境是以獨立、互不干擾的子系統運作,來執行特定的應用程式,而通用的底層硬體平台則是提供所需的運算資源,來支援所有的運作。

為了實現靈活性與互通性,此基礎架構必須建立在共通、開放的虛擬化平台上,能夠整合、執行並管理所有類型工業或運算工作負載。業者可以將既有的多種應用程式軟體移植到虛擬化平台上。

舉例來說,在一間西班牙能源公司建立的大型太陽能發電廠中,有高達20萬個太陽能聚熱鏡板,若依照傳統架構,需要10萬台的PLC控制器來調整這些聚熱鏡板的角度,成本非常昂貴。透過Intel與Wind River的協助,導入工作負載整合技術,在Xeon平台上以軟體定義方式,把系統架構簡化為僅需200多個PLC控制器便能達成相同的目標,大幅地降低建置與營運成本。

要實現工作負載整合,除了需要功能強大的運算平台之外,虛擬化中的Hypervisor和容器化(containerization)是兩個重要的促成技術。

Hypervisor是用來虛擬化底層硬體,以建立一個區隔的環境(稱為虛擬機VM)。每個VM都像是獨立運作,有自己的作業系統與虛擬化的網路和儲存資源。而容器化則是透過類似Docker等程式建立的區隔程序,但是共享核心與非虛擬化的硬體資源。

這兩方式各有其適用範圍,一般來說,具關鍵性、即時要求,且優先級高的作業會採用虛擬機技術,而容器化的佔位小,佈署簡單,可最大化硬體效率,適用於同質性的工作負載。

過去,佈署虛擬化技術會導致系統效能的降低。但是針對工業應用,隨著多核心CPU、即時作業系統(RTOS)、輕量型hypervisor、硬體虛擬化功能、以及專為工業IoT開發的解決方案堆疊等技術的進展,已能大幅提升虛擬系統的反應速度,實現高效能解決方案。

Intel建構工業用工作負載整合的生態系統

憑藉著在企業工作負載整合市場的豐富經驗,Intel已針對工業應用積極建構完整的生態系統。首先,Intel在其Xeon、Core和Atom處理器中均整合了虛擬化技術(VT),可為虛擬化軟體提供所需的硬體資源,進而降低建置的成本與複雜度,同時Intel VT技術可為系統架構中的各種元件,包括CPU、記憶體、以及I/O,提供虛擬化支援。

此外,由於製造業範圍廣泛,不同產業對工作負載整合的需求與考量不盡相同,依客戶需求,可能採用商用或開放源的虛擬化軟體,Intel也都與相關業者合作,以為客戶提供最適切的解決方案。像是,在硬體方面,台灣許多工業電腦廠商皆已將Intel VT技術納入產品設計之中;軟體方面,除了Wind River等多家合作夥伴之外,也特別投資自己的開源hypervisor ─ Project ACRN,用於較關鍵的工作負載。這是一個專為滿足工業IoT需求開發的開放源hypervisor,可實現嵌入式裝置所需的即時、安全性及最佳化作業。

隨著工業IoT的快速發展,具顯著效益的工作負載整合技術已逐漸受到業者的採用,像知名工控業者Rockwell Automation已經推出基於Intel Core處理器的控制器,把PLC、HMI、分析和使用者應用程式整合在單一平台上。相信此趨勢未來將逐漸成為主流,Intel也將致力於建構生態系統,與合作夥伴共同推動工作負載整合技術在工業IoT的應用。

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