Usar computadoras de una sola placa para crear una plataforma de computación de punta del IIoT

Los centros de datos basados en la nube son recursos importantes para la Internet Industrial de las Cosas (IIoT), proporcionando almacenamiento masivo escalable, procesamiento, análisis, atención regular a la seguridad y actualizaciones continuas de funcionalidad; pero depender de la nube para todo tiene varias desventajas. Por ejemplo, la latencia entre la nube y el borde pueden ser demasiado larga para las funciones críticas de la misión, como el control de procesos y de movimiento. Además, los datos pueden estar expuestos a los piratas informáticos y las grandes transferencias de datos pueden someter rápidamente a presión los recursos de comunicaciones. La solución a estos problemas es realizar tanto procesamiento y análisis como sea posible en el borde.

Para este procesamiento de borde del IIoT, las plataformas de computación basadas en computadoras de tablero único (SBC) proporcionan a los diseñadores un número creciente de soluciones rentables y bien soportadas. Los fabricantes de sistemas integrados se dirigen a este nuevo mercado con SBC de 64 bits con memoria de alta velocidad, soporte para almacenamiento masivo de estado sólido y múltiples sistemas operativos, altos niveles de seguridad, docenas de pines para GPIO, y muchas otras características.

Este artículo discutirá la necesidad de SBC en el borde y sus consideraciones de selección e integración para la computación del borde interno del IIoT. A continuación, presentará a modo de ejemplo las SBC de Advantech, Digi, UDOO y VersaLogic, así como el Raspberry Pi y mostrará cómo los diseñadores pueden utilizarlos para crear soluciones informáticas adaptadas al entorno del borde del IIoT.

¿Por qué usar las SBC para IIoT

Un beneficio significativo de las SBC para los diseñadores del IIoT es la flexibilidad en la configuración de la plataforma general, y la capacidad de elegir solo lo que se requiere ahora, mientras que ofrece la posibilidad de escalar sin desechar toda la plataforma como podría ser el caso con una PC construida con un fin. Otra ventaja es que al haber diseñado el sistema desde cero, los diseñadores habrán adquirido conocimientos que serán esenciales en el futuro a medida que se amplíe la necesidad de más recursos informáticos.

Las SBC son tan variadas como las aplicaciones para los que están diseñados. Los sistemas de defensa y aeroespaciales, por ejemplo, a menudo se basan en SBC en factores de forma 3U y 6U y se basan generalmente en el estándar Open VPX. Sus procesadores anfitriones suelen ser procesadores Intel de alta gama e incluyen FPGA de la familia Virtex de Xilinx o unidades de procesamiento de gráficos (GPU) como aceleradores de hardware, junto con convertidores analógico-digitales (ADC) de 12 y 16 bits y convertidores digital-analógico (DAC) con mucha memoria DDR4. Además, sus placas base consisten en muchos carriles de PCIe Gen 4 y tejidos de cambio como Rapid IO y PCIe. Las características tienen un costo, por supuesto.

En el otro extremo de la escala están las SBC de "hágalo usted mismo" o "fabricante" que se venden por millones en todo el mundo, gracias a la enorme popularidad de Raspberry Pi, Arduino y otras plataformas. Aunque es mucho menos costoso, todavía es posible conectar un grupo de sensores a la SBC, realizar un modesto nivel de procesamiento, y enviar el resultado a una computadora in situ, o de borde, basada en uno o más SBC poderosos. Aunque esto obviamente se añadiría a la lista de materiales de un sistema, podría estar justificado porque añade inteligencia a un clúster de dispositivos de sensores de borde, permitiendo que algunas decisiones se realicen justo en el borde, así como localmente usando computadoras de borde.

Entre el sector de defensa/aeroespacial y el DIY se encuentran las SBC diseñados para aplicaciones industriales que también pueden ser compatibles con Raspberry Pi y Arduino, pero que tienen un rendimiento muy superior y características ambientales muy resistentes con procesadores anfitriones que son miembros de la familia Arm® Cortex® o modelos de gama media de Intel Core. Pueden ofrecer un rendimiento equivalente al de una computadora portátil de gama media en un tamaño de placa de menos de 6 pulgadas cuadradas (in²), y se suministran con memoria DDR3 o DDR4, o una memoria a elección del diseñador.

Otras características estándar incluyen soporte para SPI y SPX, Gigabit Ethernet, señalización diferencial de bajo voltaje (LVDS) y PCIe, múltiples tipos de seguridad incluyendo un módulo de plataforma de confianza (TPM), entradas y salidas de audio y vídeo, de 8 a 12 puertos USB, así como soporte para almacenamiento SATA 3.0 de dos y cuatro canales. Los accesorios típicos incluyen varios tipos de hardware de montaje, así como coolers y cables. Muchos también aceptan tarjetas hijas que incluyen normas de comunicación no incluidas en el tablero, y en algunos casos, celular 4G. Sus fabricantes también proporcionan recursos técnicos sustanciales, como tablas de desarrollo y kits de prototipos.

El Advantech AIMB-581WG2-00A1E es un buen ejemplo de una SBC basada en Intel (Figura 1). La placa de 9.6 in² es alimentada por procesadores Intel hasta el Xeon E3-1275 y el Core i7-2600, con soporte para hasta 32 gigabytes (Gbytes) de memoria DDR3. Otro ejemplo es el SC40-2000-0000-C0-V de UDOO, una placa de 4.72 in² basada en una CPU AMD de cuatro núcleos y 2 gigahercios (GHz) Ryzen Embedded V1605B, complementada por el acelerador de gráficos Radeon Vega 8 de ocho GPU de AMD. Puede soportar hasta 32 Gbytes de memoria DDR4-2400 y varias opciones de almacenamiento masivo.

Figura 1: La SBC AIMB-581WG2-00A1E de Advantech es representativa de la forma en que los SBC integran una funcionalidad y capacidad de expansión significativas en una huella muy pequeña. (Fuente de la imagen: Advantech)

A diferencia de muchas otras SBC industriales, la Liger VL-EPM-43SCP-08 de VersaLogic utiliza el sistema operativo Windows así como el Linux (Figura 2). Se ajusta al factor de forma PC/104-Plus de 4.2 x 3.7 in que añade funcionalidad al apilar las tarjetas, y a diferencia de las versiones anteriores de PC/104, proporciona soporte para el bus PCI así como para el ISA. El VL-EPM-43SCP-08 se basa en una CPU Intel Core i7-7600U de 2.8 GHz con soporte de 8 Gbytes de memoria DDR3 (ampliable a 16 Gbytes) y almacenamiento masivo SATA 3.0. Otras interfaces incluyen una ranura microSD, una interfaz I²C, RS-232, RS-422 y RS-435 seleccionables, dos mini puertos de pantalla, una salida HDMI y una resolución de pantalla de hasta 4096 x 2304. El tablero también cumple con los requisitos de la MIL-STD-202G en cuanto a golpes y vibraciones.

Figura 2: La SBC VL-EPM-43SCP-08 de VersaLogic funciona con Windows y Linux, y se ajusta al factor de forma PC/104-Plus. (Fuente de la imagen: VersaLogic)

Digi adopta un enfoque algo diferente, utilizando su sistema-en-módulo ConnectCore 6 que se basa en la línea de procesadores i.MX6UL-2 de NXP Semiconductors, que integra un procesador de aplicaciones con un núcleo de Arm Cortex-A7 en un único dispositivo (Figura 3).

Figura 3: El sistema-en-módulo (SIM) ConnectCore 6 integra casi toda la funcionalidad de una SBC dentro de un solo dispositivo y está basado en el procesador de aplicaciones iMX6UltraLite de NXP. (Fuente de la imagen: Digi)

La versión CC-SB-WMX-J97C de ConnectCore 6 SIM mide 4.7 in², ofrece Bluetooth 4 y Wi-Fi, la radio Digi XBee de la compañía (basada en el estándar IEEE 802.15.4), y conectividad celular opcional, así como Gigabit Ethernet y soporte para múltiples pantallas, una cámara y conectores de expansión (Figura 4).

Figura 4: La SIMCC-SB-WMX-J97C es compatible con muchos estándares inalámbricos así como la radio XBee de la compañía y mide 4.7 in². (Fuente de la imagen: Digi)

Consideraciones sobre la selección de la SBC

Para los sistemas existentes de IIoT, el primer paso en el proceso de diseño es evaluar las necesidades actuales de la empresa en el borde y cuánto es probable que aumenten en el futuro. Esto último es más una suposición que una declaración de hecho, ya que es imposible saber con precisión con qué rapidez se necesitarán los recursos. Dicho esto, la experiencia de la mayoría de las empresas que han implementado el IIoT muestra que las necesidades son inicialmente subestimadas, por lo que el mejor enfoque es asumir que las necesidades crecerán con el tiempo.

El siguiente paso es determinar los recursos básicos necesarios, incluida la conectividad por cable e inalámbrica, el soporte para el almacenamiento masivo y las entradas y salidas necesarias para manejar una pantalla, el audio y el video, la iluminación del panel, un altavoz y otros elementos. Esto no suele ser difícil porque las SBC con el rendimiento requerido para el IIoT normalmente tendrán todas estas capacidades.

Otro factor a tener en cuenta es la capacidad de un tablero para añadir funcionalidad a través de las placas de expansión. Por ejemplo, aunque los transceptores de Wi-Fi y Bluetooth suelen estar integrados en la placa, muchos sistemas de IIoT utilizan Zigbee y posiblemente otras normas inalámbricas de corto alcance, así como tecnologías de red de área amplia de baja potencia (LPWAN) como LoRaWAN, Sigfox o Narrowband-IoT (NB-IoT) que ofrecen los proveedores de servicios inalámbricos.

En cuanto al software, hay muchas opciones de sistema operativo, la mayoría basadas en el Raspberry Pi oficial o en varias versiones de Linux. El entorno de desarrollo integrado (IDE) de Arduino es compatible con Windows, MacOS y Linux. Windows 10 es atípico debido a su incompatibilidad con Raspberry Pi, y solo recientemente ha aumentado el interés por este sistema operativo para la IIoT.

Por último, deben considerarse las condiciones ambientales en las que se instalará el sistema, lo que puede requerir la necesidad de un recinto resistente, posiblemente impermeable y resistente a la suciedad, los golpes y las vibraciones.

Pasando a los clústeres de SBC

Por muy útiles que sean estas SBC, hay límites a lo que los diseñadores pueden lograr con una sola placa. Sin embargo, a medida que las aplicaciones escalan, también lo hacen las tablas. El Laboratorio Nacional de Los Álamos y la NASA, así como otras instituciones, han construido clústeres de SBC para crear micro-supercomputadoras. Los clústeres de SBC tampoco están fuera del alcance de los diseñadores del IIoT, como lo demuestra un clúster Bs modelo Raspberry Pi de 40 nodos (Figura 5). Este clúster de 40 nodos se basa en en el Bs de modelo Raspberry Pi 40, tiene 20 Gbytes de memoria, puede soportar hasta 12 terabytes (Tbytes) de almacenamiento masivo, pero solo mide 9.9 x 15.5 x 21.8 in.

Figura 5: Este clúster de 40 nodos se basa en en el Bs de modelo Raspberry Pi 40, tiene 20 Gbytes de memoria, puede soportar hasta 12 terabytes (Tbytes) de almacenamiento masivo, pero solo mide 9.9 x 15.5 x 21.8 in. (Fuente de la imagen: LikeMagicAppears!)

Sistemas como estos deberían llamar la atención de los desarrolladores de sistemas integrados, demostrando cómo pueden construir sobre Raspberry Pi así como otras arquitecturas para crear poderosos y escalables clústeres de SBC para la computación de punta del IIoT. Para esta aplicación, el modelo 3B+ Raspberry Pi es un buen punto de partida. En comparación con los cúmulos tradicionales, los cúmulos de la SBC son mucho más pequeños, de bajo costo y consumen cantidades modestas de energía, lo que los hace muy adecuados para los confines del borde.

Se ha demostrado que una variedad de enfoques permite lograr un rendimiento muy alto en un espacio confinado. Por ejemplo, la técnica Pi Stack introduce la energía de CC en el clúster desde un único punto, con la energía distribuida por todo el clúster (Figura 6). Esto reduce el cableado y permite que más placas Raspberry Pi quepan en una determinada huella. La comunicación entre los nodos se realiza a través de las interfaces de Ethernet proporcionadas por la SBC.

Figura 6: Un clúster de SBC construido usando el enfoque de construcción Pi Stack presentado por Philip Basford y otros (Fuente de la imagen: Future Generation Computer Systems)

Lo que tal vez sea más notable de los clústeres de SBC es su capacidad de ofrecer un rendimiento extremadamente alto utilizando SBC de bajo costo, junto con fuentes de alimentación y diversos periféricos. Para la computación de punta para el IIoT, este concepto es relativamente nuevo, pero vale la pena considerarlo seriamente.

Conclusión

El creciente número de SBC diseñadas para aplicaciones de IIoT proporciona soluciones muy atractivas para los diseñadores encargados de construir una plataforma de computación de vanguardia. Cuando se combinan con una fuente de alimentación, una caja y algunos periféricos, pueden adaptarse y escalarse de manera rentable para satisfacer las necesidades de una amplia variedad de entornos operativos en un espacio muy reducido.