단일 기판 컴퓨터를 사용하여 IIoT 에지 컴퓨팅 플랫폼 생성

클라우드 기반 데이터 센터는 확장 가능한 대용량 스토리지, 처리, 분석, 보안과 관련하여 정기적으로 관심 갖고 지속적으로 기능을 업데이트함으로써 산업용 사물 인터넷(IIoT)에서 중요한 리소스이지만, 모든 것을 클라우드에 의존하기 때문에 몇 가지 단점이 있습니다. 예를 들어 클라우드와 에지 사이의 대기 시간이 너무 길어서 공정, 동작 제어와 같은 핵심 기능에 적합하지 않을 수 있습니다. 또한 데이터가 해커에게 노출될 수 있고 대용량 데이터를 전송할 경우 통신 리소스의 부하가 빠르게 증가할 수 있습니다. 이 문제를 해결하려면 에지에서 최대한 많은 처리 및 분석을 수행해야 합니다.

이 IIoT 에지 처리를 위해 단일 기판 컴퓨터(SBC) 기반 컴퓨팅 플랫폼에서 설계자를 위해 제공되는 비용 효율적이고 체계적으로 지원되는 솔루션이 점점 더 많아지고 있습니다. 내장형 시스템 제조업체에서는 고속 메모리를 실장한 64비트 프로세서 SBC, 무접점 대용량 스토리지 및 여러 운영 체제 지원, 높은 수준의 보안, 수십 개의 GPIO용 핀 등으로 이 새로운 시장에 대처하고 있습니다.

이 기사에서는 에지에서 SBC의 필요성과 IIoT 사내 에지 컴퓨팅을 위한 선택 및 통합 고려 사항을 설명합니다. 그런 다음 Advantech, Digi, UDOO, VersaLogic 및 Raspberry Pi의 SBC를 예를 들어 소개하고, 설계자가 이러한 SBC를 사용하여 IIoT 에지 환경에 맞는 컴퓨팅 솔루션을 구축할 수 있는 방법을 보여 줍니다.

IIoT용 SBC를 사용하는 이유

IIoT용 SBC를 사용하면 설계자가 전체 플랫폼을 유연하게 구성하고, 특별한 용도로 제작된 PC의 경우처럼 전체 플랫폼을 폐기하지 않고 지금 필요한 항목만 선택한 후 필요에 따라 확장할 수 있다는 중요한 이점이 있습니다. 다른 이점은 시스템을 처음부터 설계하여 설계자가 나중에 더 많은 컴퓨팅 리소스를 확장해야 할 때 필요한 지식을 습득하게 된다는 점입니다.

SBC는 설계된 응용 분야에 따라 다릅니다. 예를 들어 방위 및 항공 우주 시스템에서는 주로 3U 및 6U 폼 팩터에서 SBC를 사용하고 일반적으로 개방형 VPX 표준을 기반으로 합니다. 호스트 프로세서는 일반적으로 하이엔드 Intel 프로세서이며, 많은 DDR4 메모리가 실장된 12비트 및 16비트 아날로그 디지털 컨버터(ADC) 및 디지털 아날로그 컨버터(DAC)와 함께 Xilinx Virtex 제품군의 FPGA 또는 그래픽 처리 장치(GPU)를 하드웨어 가속기로 포함합니다. 또한 후면판은 많은 레인의 PCIe Gen 4 및 스위치 패브릭(예: 고속 IO 및 PCIe)으로 구성되어 있습니다. 물론 기능은 유료로 제공됩니다.

반면에 DIY 또는 “제조업체” SBC는 Raspberry Pi, Arduino 등과 같은 플랫폼의 엄청난 인기로 전 세계에서 수백만 개 이상 판매되었습니다. 훨씬 저렴하면서도 센서 그룹을 SBC에 연결하고, 적정 수준의 처리 성능을 제공하며, 한 대 이상의 강력한 SBC를 기반으로 현장 또는 에지 컴퓨터에 결과를 전송할 수 있습니다. 시스템의 가격이 올라가는 것은 분명하지만, 에지 센서 장치 클러스터에 인텔리전스를 추가하여 에지 컴퓨터를 로컬로 사용할 수 있고 에지에서 직접 의사결정을 내릴 수 있게 해주므로 비용이 정당화될 수 있습니다.

방위/항공 우주와 DIY 사이에는 Raspberry Pi 및 Arduino도 지원할 수 있지만, Arm® Cortex® 제품군 또는 중급 Intel Core 모델에 속하는 호스트 프로세서를 실장하여 뛰어난 성능과 견고한 환경 특성을 갖춘 산업용 응용 분야에 맞게 설계된 SBC가 있습니다. 이러한 SBC는 기판 크기가 6제곱인치(in.²)이지만 중형 랩톱 컴퓨터에 준하는 성능을 제공할 수 있으며, DDR3나 DDR4 메모리 또는 설계자가 선택한 메모리를 함께 제공합니다.

다른 표준 기능으로는 SPI 및 SPX, 기가비트 이더넷, 저전압 차동 신호(LVDS) 및 PCIe, 신뢰 플랫폼 모듈(TPM)을 포함하는 다양한 유형의 보안, 오디오 및 비디오 입/출력, 8 ~ 12 USB 포트, 2채널 및 4채널 SATA 3.0 스토리지 등을 지원합니다. 일반적으로 제공되는 부속품으로는 다양한 유형의 실장 하드웨어와 냉각기 및 케이블이 있습니다. 대부분의 경우 기판에 포함되지 않은 통신 표준을 포함하는 도터 카드를 허용하며, 일부지만 4G 셀룰러도 허용합니다. 또한 제조업체에서는 개발 기판, 시제품 제작 키트와 같은 상당한 기술 리소스를 제공합니다.

Advantech AIMB-581WG2-00A1E는 Intel 기반 SBC의 좋은 예입니다(그림 1). 9.6in.² 기판은 Xeon E3-1275 및 Core i7-2600 이하 Intel 프로세서에 의해 구동되며, 최대 32Gb의 DDR3 메모리를 지원합니다. 다른 예로는 AMD 쿼드 코어, 2GHz Ryzen 내장형 V1605B CPU를 기반으로 하고 AMD의 8-GPU Radeon Vega 8 그래픽 가속기로 보완되는 4.72in.² 기판인 UDOO의 SC40-2000-0000-C0-V가 있습니다. 이 기판은 최대 32Gb의 DDR4-2400 메모리와 다양한 대용량 스토리지 옵션을 지원할 수 있습니다.

그림 1: Advantech의 AIMB-581WG2-00A1E SBC는 SBC가 매우 작은 실장 면적에서 중요한 기능과 확장 기능을 통합하는 방식을 보여 줍니다. (이미지 출처: Advantech)

많은 다른 산업용 SBC와 달리 VersaLogic의 Liger VL-EPM-43SCP-08에서는 Windows 운영 체제와 Linux를 모두 사용합니다(그림 2). SBC는 기판을 쌓아서 기능을 추가하는 PC/104-Plus 4.2in x 3.7in 폼 팩터에 맞으며 이전 PC/104 버전과 달리 PCI 버스와 ISA를 모두 지원합니다. VL-EPM-43SCP-08은 8Gb DDR3 메모리(16Gb로 확장 가능)와 SATA 3.0 대용량 스토리지에 의해 지원되는 2.8GHz Intel Core i7-7600U CPU를 기반으로 합니다. 다른 인터페이스로는 microSD 슬롯, I²C 인터페이스, 선택형 RS-232, RS-422 및 RS-435, mini DisplayPorts 2개, HDMI 출력 1개, 최대 4096 x 2304 디스플레이 분해능이 있습니다. 또한 이 기판은 충격 및 진동에 대한 MIL-STD-202G 요구 사항을 충족합니다.

그림 2: VersaLogic VL-EPM-43SCP-08 SBC는 Windows 및 Linux를 실행하며 PC/104-Plus 폼 팩터에 맞습니다. (이미지 출처: VersaLogic)

Digi는 단일 장치에서 응용 프로세서를 Arm Cortex-A7 코어와 통합하는 NXP Semiconductors의 i.MX6UL-2 프로세서 라인을 기반으로 하는 ConnectCore 6 시스템 온 모듈을 사용하여 약간 다른 방식으로 접근합니다(그림 3).

그림 3: ConnectCore 6 시스템 인 모듈(SIM)은 단일 장치 내에서 SBC의 거의 모든 기능을 통합하고 NXP의 iMX6UltraLite 응용 프로세서를 기반으로 합니다. (이미지 출처: Digi)

CC-SB-WMX-J97C 버전의 ConnectCore 6 SIM은 4.7in.² 크기에서 Bluetooth 4 및 Wi-Fi, 자사 Digi XBee 무선 통신(IEEE 802.15.4 표준 기반), 선택적 셀룰러 연결, 기가비트 이더넷을 제공하며, 여러 디스플레이, 카메라, 확장 커넥터를 지원합니다(그림 4).

그림 4: CC-SB-WMX-J97C SIM은 4.7in.² 크기에서 많은 무선 표준과 자사 XBee 무선 통신을 지원합니다. (이미지 출처: Digi)

SBC 선택 고려 사항

기존 IIoT 시스템의 경우 설계 공정의 첫 번째 단계에서는 에지에서의 현재 회사의 요구 사항과 향후 확장 가능성을 평가합니다. 후자의 경우 사실보다 가정에 더 가까우므로 리소스가 얼마나 빠르게 필요할지 정확히 알 수 없습니다. 즉, IIoT를 구현한 적이 있는 대부분의 기업의 입장에서 처음에는 그 필요성이 적어 보일 것이므로 시간이 경과하면서 요구 사항이 많아질 것으로 가정하는 것이 가장 좋습니다.

다음 단계에서는 유/무선 연결, 대용량 스토리지 지원, 디스플레이, 오디오, 비디오, 패널 조명, 스피커 등과 같은 항목을 구동하는 데 필요한 입/출력을 비롯하여 필요한 기본 리소스를 결정합니다. IIoT에 필요한 성능을 갖춘 SBC에서 이러한 기능을 모두 제공하므로 일반적으로 이 결정은 어렵지 않습니다.

다른 요소로는 확장 기판을 통해 기판의 기능을 확장할 수 있는지 여부를 고려해야 합니다. 예를 들어 Wi-Fi 및 Bluetooth 트랜시버는 일반적으로 기판에 통합되어 있지만, 많은 IIoT 시스템에서는 Zigbee 및 가능한 다른 단거리 무선 표준과 저전력 광역 네트워크(LPWAN) 기술(예: LoRaWAN, Sigfox, 무선 통신회사에서 제공하는 Narrowband-IoT(NB-IoT))을 사용합니다.

소프트웨어 측면에서 많은 운영 체제를 선택할 수 있으며, 대부분의 운영 체제는 Raspberry Pi의 공식 Raspbian 또는 다양한 버전의 Linux를 기반으로 합니다. Arduino의 통합 개발 환경(IDE)에서는 Windows, macOS 및 Linux를 지원합니다. Windows 10은 Raspberry Pi와 호환되지 않아서 제외되었으며, 최근에야 IIoT에서 이 운영 체제에 대한 관심이 증가하고 있습니다.

마지막으로 시스템을 설치할 환경 조건을 고려해야 합니다. 방수 기능과 먼지, 충격 및 진동에 대한 내성이 있는 견고한 인클로저가 필요할 수도 있습니다.

SBC 클러스터로 이동

SBC가 유용할 수도 있지만, 설계자가 단일 기판에서 실현할 수 있는 것은 제한적입니다. 하지만 응용 분야가 확장될수록 기판도 확장될 수 있습니다. Los Alamos 국립연구소, NASA 및 기타 기관에서 마이크로 슈퍼컴퓨터를 제작하기 위해 SBC 클러스터를 구축했습니다. 40 노드 Raspberry Pi 3 Model Bs 클러스터로 입증된 것처럼 SBC 클러스터는 IIoT 설계자의 범위를 벗어나지 못합니다(그림 5). 이 40 노드 클러스터는 40 Raspberry Pi 3 Model Bs를 기반으로 하고, 20Gb의 메모리를 제공하며, 9.9in x 15.5in x 21.8in의 작은 크기에서 최대 12TB의 대용량 스토리지를 지원할 수 있습니다.

그림 5: 40 Raspberry Pi 3 Model Bs를 기반으로 하는 이 40 노드 클러스터는 20Gb의 메모리를 제공하며, 9.9in x 15.5in x 21.8in의 작은 크기에서 최대 12TB의 대용량 스토리지를 지원할 수 있습니다. (이미지 출처: LikeMagicAppears!)

이러한 시스템은 Raspberry Pi 및 다른 아키텍처를 기반으로 IIoT 에지 컴퓨팅을 위한 강력하고 확장 가능한 SBC 클러스터를 구축할 수 있는 방법을 입증하여 내장형 시스템 개발자의 관심을 끌어야 합니다. 이 응용 분야의 경우 Raspberry Pi Model 3B+가 좋은 시작점이 될 수 있습니다. 기존 클러스터에 비해 SBC 클러스터는 훨씬 작고 저렴하며 적절한 양의 전력을 소비하여 에지의 범위에 적합합니다.

또한 제한된 공간에서 다양한 접근 방식으로 매우 우수한 성능을 실현할 수 있는 것으로 입증되었습니다. 예를 들어 Pi Stack 기술에서는 클러스터 전체에 전력을 분배하여 단일 지점에서 클러스터로 DC 전력을 내보냅니다(그림 6). 그러면 배선이 감소하며 주어진 실장 면적에 더 많은 Raspberry Pi 기판을 채울 수 있습니다. 노드 간 통신은 SBC에서 제공되는 이더넷 인터페이스를 통해 이루어집니다.

그림 6: Philip Basford et al.에서 제공하는 Pi Stack 구성 방식을 사용하여 구축된 SBC 클러스터(이미지 출처: Future Generation Computer Systems)

SBC 클러스터에 대해 가장 주목할 만한 점은 전원 공급 장치 및 다양한 주변 장치와 함께 저비용 기성 SBC를 제공할 수 있다는 점입니다. IIoT용 에지 컴퓨팅의 경우 이 개념은 상대적으로 새롭지만 진지하게 고려할 만한 가치가 있습니다.

결론

에지 컴퓨팅 플랫폼을 제작하는 설계자에게 매우 매력적인 솔루션을 제공하는 IIoT 응용 분야용으로 설계된 SBC의 수가 점점 증가하고 있습니다. 전원 공급 장치, 인클로저 및 일부 주변 장치와 결합하여, 매우 작은 실장 면적으로 다양한 운영 환경의 요구 사항을 충족하도록 SBC를 효율적인 비용으로 조정 및 확장할 수 있습니다.