Utiliser des ordinateurs monocartes pour créer une plateforme edge computing IIoT

Les data centers basés cloud constituent d'importantes ressources pour l'Internet industriel des objets (IIoT), car ils offrent un stockage de masse évolutif, des capacités de traitement et d'analyse, une attention régulière à la sécurité et des mises à jour continues des fonctionnalités. Néanmoins, le fait de reposer entièrement sur le cloud présente plusieurs inconvénients. Par exemple, la latence entre le cloud et la périphérie peut être trop importante pour des fonctions stratégiques comme le contrôle de processus et de mouvement. En outre, les données peuvent être exposées aux pirates informatiques et les transferts de données volumineuses peuvent vite peser sur les ressources de communication. Dans les deux cas, la solution est d'effectuer le traitement et l'analyse le plus possible en périphérie.

Pour le traitement IIoT en périphérie, les plateformes informatiques basées sur des ordinateurs monocartes (SBC) offrent aux concepteurs un nombre croissant de solutions économiques et largement prises en charge. Les fabricants de systèmes embarqués répondent à ce nouveau marché en proposant des ordinateurs monocartes à processeur 64 bits dotés d'une mémoire haute vitesse, d'une prise en charge du stockage de masse SSD et de plusieurs systèmes d'exploitation, de niveaux élevés de sécurité, de dizaines de broches pour les E/S à usage général (GPIO) et de nombreuses autres fonctionnalités.

Cet article traite de la nécessité des ordinateurs monocartes en périphérie et des considérations relatives à leur sélection et à leur intégration pour l'edge computing interne IIoT. Il présente ensuite des exemples d'ordinateurs monocartes d'Advantech, de Digi, d'UDOO, de VersaLogic et de Raspberry Pi, et montre comment les concepteurs peuvent les utiliser pour créer des solutions informatiques adaptées à l'environnement périphérique IIoT.

Pourquoi utiliser des ordinateurs monocartes pour l'IIoT

Les ordinateurs monocartes présentent un avantage significatif pour les concepteurs IIoT, à savoir la flexibilité dans la configuration de la plateforme globale et la possibilité de choisir uniquement ce qui est nécessaire à l'instant T, tout en offrant une capacité d'évolutivité, et ce, sans abandonner la plateforme entière (comme cela pourrait être le cas avec un PC spécialisé). Autre avantage : le système étant conçu de toutes pièces, les concepteurs ont acquis les connaissances qui leur seront essentielles lorsqu'ils auront besoin de ressources informatiques supplémentaires.

Les ordinateurs monocartes sont aussi variés que les applications pour lesquelles ils sont conçus. Les systèmes de défense et d'aérospatiale, par exemple, reposent souvent sur des ordinateurs monocartes aux facteurs de forme 3U et 6U, et sont généralement basés sur la norme Open VPX. Leurs processeurs hôtes sont typiquement des processeurs Intel haut de gamme et incluent des FPGA de la gamme Virtex de Xilinx ou des unités de traitement graphique (GPU) en tant qu'accélérateurs matériels, avec des convertisseurs analogique-numérique (CAN) 12 bits et 16 bits et des convertisseurs numérique-analogique (CNA) dotés d'une vaste mémoire DDR4. Par ailleurs, leurs fonds de panier sont constitués de nombreuses voies PCIe de 4e génération et de structures de commutation comme Rapid IO et PCIe. Bien entendu, ces fonctionnalités ont un coût.

À l'autre bout du spectre se trouvent les ordinateurs monocartes DIY ou « maker » qui se vendent par millions partout dans le monde, grâce à l'incroyable popularité de Raspberry Pi, d'Arduino et d'autres plateformes. S'ils sont beaucoup moins coûteux, ils permettent néanmoins de connecter un groupe de capteurs à l'ordinateur monocarte, d'effectuer un niveau modeste de traitement et d'envoyer le résultat vers un ordinateur en périphérie ou sur site basé sur un ou plusieurs ordinateurs monocartes puissants. Bien que cela pèse sur la nomenclature d'un système, cette méthode peut se justifier, car elle ajoute de l'intelligence à un ensemble de dispositifs de détection périphériques, permettant la prise de décisions directement en périphérie et localement grâce à des ordinateurs périphériques.

Entre les ordinateurs monocartes conçus pour la défense/l'aérospatiale et les ordinateurs monocartes DIY, il en existe également pour les applications industrielles qui peuvent aussi prendre en charge Raspberry Pi et Arduino, mais qui présentent des performances largement supérieures et des caractéristiques pour les environnements difficiles avec des processeurs hôtes de la gamme Arm® Cortex® ou des modèles Intel Core milieu de gamme. Ces ordinateurs monocartes peuvent offrir des performances équivalentes à celles d'un ordinateur portable de milieu de gamme dans un format de carte de moins de 38,7 centimètres carrés (cm²). Ils disposent également d'une mémoire DDR3 ou DDR4, ou d'une mémoire choisie par le concepteur.

Les autres fonctionnalités standard incluent la prise en charge de SPI et SPX, de Gigabit Ethernet, de la signalisation différentielle à basse tension (LVDS) et de PCIe, de plusieurs types de sécurité dont le module TPM (Trusted Platform Module), des entrées et sorties audio et vidéo, de 8 à 12 ports USB, et la prise en charge du stockage SATA 3.0 à deux et quatre canaux. Les accessoires typiques incluent différents types de matériel de montage, ainsi que des refroidisseurs et des câbles. Beaucoup acceptent également les cartes filles prenant en charge les normes de communication non incluses sur la carte et, dans quelques cas, la technologie cellulaire 4G. Leurs fabricants fournissent également des ressources techniques substantielles comme des cartes de développement et des kits de prototypage.

L'AIMB-581WG2-00A1E d'Advantech est un bon exemple d'ordinateur monocarte basé sur Intel (Figure 1). Cette carte de 61,9 cm² fonctionne avec des processeurs Intel jusqu'aux modèles Xeon E3-1275 et Core i7-2600. Elle prend en charge jusqu'à 32 giga-octets (Go) de mémoire DDR3. Un autre exemple est la carte SC40-2000-0000-C0-V de 30,5 cm² d'UDOO, basée sur un processeur Ryzen Embedded V1605B quadricœur 2 gigahertz (GHz) d'AMD, complété par un accélérateur graphique Radeon Vega 8 à huit processeurs graphiques d'AMD. Elle peut prendre en charge jusqu'à 32 Go de mémoire DDR4-2400 et différentes options de stockage de masse.

Figure 1 : L'ordinateur monocarte AIMB-581WG2-00A1E d'Advantech illustre bien la manière dont les ordinateurs monocartes intègrent des fonctionnalités considérables et une capacité d'extension dans une empreinte très compacte. (Source de l'image : Advantech)

Contrairement à de nombreux autres ordinateurs monocartes industriels, le Liger VL-EPM-43SCP-08 de VersaLogic utilise le système d'exploitation Windows ainsi que Linux (Figure 2). Conforme au facteur de forme PC/104-Plus de 10,67 cm x 9,40 cm, il bénéficie de fonctionnalités supplémentaires grâce à l'empilement de cartes, et, contrairement aux versions PC/104 précédentes, il prend en charge les bus PCI et ISA. Le VL-EPM-43SCP-08 est basé sur un processeur Intel Core i7-7600U 2,8 GHz et est doté d'une mémoire DDR3 de 8 Go (extensible jusqu'à 16 Go) ainsi que d'un stockage de masse SATA 3.0. Les autres interfaces incluent un connecteur microSD, une interface I²C, des interfaces RS-232, RS-422 et RS-435 sélectionnables, deux Mini DisplayPort, une sortie HDMI et une résolution d'affichage jusqu'à 4096 x 2304. La carte est également conforme aux exigences MIL-STD-202G en matière de résistance aux chocs et aux vibrations.

Figure 2 : L'ordinateur monocarte VL-EPM-43SCP-08 de VersaLogic exécute Windows et Linux, et respecte le facteur de forme PC/104-Plus. (Source de l'image : VersaLogic)

Digi adopte une approche quelque peu différente en utilisant son système sur module ConnectCore 6 basé sur la ligne de processeurs i.MX6UL-2 de NXP Semiconductors, intégrant un processeur d'applications avec un cœur Arm Cortex-A7 dans un seul dispositif (Figure 3).

Figure 3 : Le système sur module (SIM) ConnectCore 6 intègre presque toutes les fonctionnalités d'un ordinateur monocarte dans un seul dispositif et il est basé sur le processeur d'applications iMX6UltraLite de NXP. (Source de l'image : Digi)

La version CC-SB-WMX-J97C du SIM ConnectCore 6 mesure 30,32 cm², offre les technologies Bluetooth 4 et Wi-Fi, la radio Digi XBee de la société (basée sur la norme IEEE 802.15.4), la connectivité cellulaire en option, ainsi que Gigabit Ethernet et la prise en charge de plusieurs écrans, d'une caméra et de connecteurs d'extension (Figure 4).

Figure 4 : Le SIM CC-SB-WMX-J97C prend en charge de nombreuses normes sans fil ainsi que le module radio XBee de Digi, et il mesure 30,32 cm². (Source de l'image : Digi)

Éléments à prendre en compte lors de la sélection d'un ordinateur monocarte

Pour les systèmes IIoT existants, la première étape du processus de conception consiste à évaluer les besoins actuels de l'entreprise en périphérie et leur probabilité d'expansion à l'avenir. Ce dernier élément repose davantage sur une hypothèse que sur un état de fait, car il est impossible de savoir précisément à quel moment des ressources supplémentaires seront nécessaires. Cela dit, l'expérience de la plupart des entreprises ayant implémenté l'IIoT montre que les besoins sont sous-estimés au départ. La meilleure approche est donc de supposer que les exigences évolueront avec le temps.

L'étape suivante consiste à déterminer les ressources de base nécessaires, notamment la connectivité avec et sans fil, la prise en charge du stockage de masse, et les entrées et sorties requises pour commander un écran, l'audio/vidéo, l'éclairage du panneau, un haut-parleur et d'autres éléments. En général, cela n'est pas difficile, car les ordinateurs monocartes dotés des performances requises pour l'IIoT disposent déjà de toutes ces capacités.

Autre facteur à prendre en compte : la capacité de la carte à offrir de nouvelles fonctionnalités grâce à des cartes d'extension. Par exemple, bien que les émetteurs-récepteurs Wi-Fi et Bluetooth soient généralement intégrés dans la carte, de nombreux systèmes IIoT utilisent Zigbee et parfois d'autres normes sans fil courte portée, ainsi que des technologies de réseau étendu basse consommation (LPWAN), comme LoRaWAN, Sigfox ou Narrowband-IoT (NB-IoT), proposées par les opérateurs mobiles.

Sur le plan logiciel, les choix de systèmes d'exploitation sont nombreux, la plupart basés sur la version officielle Raspbian de Raspberry Pi ou sur différentes versions de Linux. L'environnement de développement intégré (IDE) d'Arduino prend en charge Windows, macOS et Linux. Windows 10 fait figure d'exception en raison de son incompatibilité avec Raspberry Pi. L'intérêt pour ce système d'exploitation dans les applications IIoT n'augmente que depuis récemment.

Enfin, les conditions environnementales dans lesquelles le système sera installé doivent être prises en compte, car elles peuvent nécessiter un boîtier renforcé, voire étanche et résistant à la saleté, aux chocs et aux vibrations.

Transition vers des ensembles d'ordinateurs monocartes

Si les ordinateurs monocartes sont utiles, une carte simple présente des limites pour les concepteurs. Toutefois, comme les applications, les cartes peuvent elles aussi évoluer. Des ensembles d'ordinateurs monocartes ont été construits par le laboratoire national de Los Alamos et la NASA ainsi que d'autres institutions pour créer des micro-superordinateurs. Les ensembles d'ordinateurs monocartes ne sont pas non plus hors de portée des concepteurs IIoT, comme le montre l'ensemble de Raspberry Pi 3 modèle B à 40 nœuds (Figure 5). Cet ensemble de 40 nœuds, basé sur 40 Raspberry Pi 3 modèle B, affiche une mémoire de 20 Go et peut prendre en charge jusqu'à 12 téra-octets (To) de stockage de masse, dans un format de 25,15 cm x 39,37 cm x 55,37 cm seulement.

Figure 5 : Cet ensemble de 40 nœuds basé sur 40 Raspberry Pi 3 modèle B affiche une mémoire de 20 Go et peut prendre en charge jusqu'à 12 To de stockage de masse, dans un format de 25,15 cm x 39,37 cm x 55,37 cm seulement. (Source de l'image : LikeMagicAppears!)

De tels systèmes devraient attirer l'attention des concepteurs de systèmes embarqués. En effet, grâce à eux, ils peuvent faire évoluer les cartes Raspberry Pi ainsi que d'autres architectures afin de créer des ensembles d'ordinateurs monocartes puissants et évolutifs pour l'edge computing IIoT. Pour cette application, la carte Raspberry Pi modèle 3B+ est un bon point de départ. Comparés aux ensembles traditionnels, les ensembles d'ordinateurs monocartes sont bien plus petits et abordables, et affichent une consommation énergétique modeste, ce qui fait qu'ils conviennent parfaitement à une utilisation en périphérie.

Plusieurs approches ont montré qu'ils pouvaient atteindre des performances très élevées dans un espace confiné. Par exemple, la technique Pi Stack introduit l'alimentation CC dans l'ensemble à partir d'un seul point, pour ensuite la distribuer dans l'ensemble tout entier (Figure 6). Cela réduit le câblage et permet d'ajouter davantage de cartes Raspberry Pi dans une empreinte donnée. La communication entre les nœuds se fait par l'utilisation des interfaces Ethernet fournies par l'ordinateur monocarte.

Figure 6 : Ensemble d'ordinateurs monocartes conçu grâce à l'approche de construction Pi Stack présentée par Philip Basford, et al. (Source de l'image : Future Generation Computer Systems)

Le plus remarquable à propos des ensembles d'ordinateurs monocartes est peut-être leur capacité à fournir des performances extrêmement élevées à partir d'ordinateurs monocartes économiques et prêts à l'emploi, auxquels s'ajoutent des alimentations et des périphériques assortis. Bien que relativement nouveau, ce concept mérite d'être envisagé sérieusement en ce qui concerne l'edge computing pour l'IIoT.

Conclusion

Les ordinateurs monocartes (SBC) conçus pour les applications IIoT sont en pleine expansion, et ils constituent des solutions très intéressantes pour les concepteurs chargés de développer une plateforme edge computing. Combinés à une alimentation, un boîtier et quelques périphériques, ces ordinateurs monocartes peuvent être personnalisés et adaptés de manière rentable pour répondre aux besoins d'un large éventail d'environnements d'exploitation, et ce, dans une empreinte très compacte.