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促进工作负载整合
 

【作者: Neil Stroud】2020年08月17日 星期一

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摘要


工作负载的整合,也就是把工厂内部多个单一作业负载的机器汇整成数量较少的「全能」装置概念,具有不胜枚举的诸多好处。


内文


对於新工厂而言,把多个单一作业负载的机器汇聚,整合成数量较少的「全能」装置,有着数不清的好处。


工作负载的整合,也就是把工厂内部多个单一作业负载的机器汇整成数量较少的「全能」装置概念,具有不胜枚举的诸多好处。这样的概念在全新的工厂中逐渐被接受,既没有也不想塞满各式必须维护、且新旧、功能、占地空间与电力需求都不一样的装置。


少了这些局限,这个从零开始打造全新工厂可以完全聚焦在生产力的提升,同时在迈向自动运作的过程中,降低实体的碳足迹与碳排放。


工业应用是一个庞大的Arm架构晶片群的应用领域。随着OEM代工厂致力於让架构彻底的标准化,Arm持续透过作业负载的整合,为强化这方面的扩充性进行大量的投资。


装置制造商若想要把多个装置整?成全新、单一且多功能的全能装置,并运用经过加速、以及基於现场经验的开发方式与既有工具,就会发现延用基本Arm运算架构,具有相当多的好处。这种迁移对於总拥有成本,包括硬体与软体的部分,也会带来直接的影响--这不只是对OEM厂商如此,对整个供应链也相同。


Arm提供整套的IP与技术,可以支援并实现虚拟化、即时效能、功能性安全与资讯安全。庞大的生态系,可让Arm的夥伴达成与实现作业负载的整合。


运算效能显着的提升

当我们整合多个应用或作业负载时,势必需要提升运算效能:效能与整合的程度成比例。Arm 有相当多样的产品选项,可让客户选择适当的运算力来满足这些开发功能所需的最高效能。在涉及数量庞大的功能整合案例中,这些需求可能相当重要 - 甚至可能需要伺服器级的平台,如Arm Neoverse系列的平台。


把低功率的运算作业负载迁移至较高效能平台的考量点之一,就是散热。冷却电子系统常用的方法是使用风扇,但这也引发第二个问题:厂区可能肮脏且布满尘埃,这些风扇长期下来会卡住并失效。这会造成设备进入热关机,并引发代价不菲的「产线停摆」情况。


在Arm的产品选项中,注重能源效率的处理器,提供的每瓦高效能能力可以大幅度降低风扇的需求,让开发人员能使用被动冷却解决方案,为工厂经营者带来可靠性更高、耗电较低的生产线,厂区的噪音污染也大大降低。


终端闸道内的作业负载整合

在工厂内可以看到有越来越多的终端伺服器被部署。它们的主要目的虽然是从端点的物联网感测器,搜集、过滤然後回传大量数据至云端,但这些装置本身也提供的强大运算力,也可以用来执行之前由其它不同装置负责的任务。


例如,驱动更在地的作业优化与决策的分析作业。在数据往更高层级传送以进一步进行与生产力、材料管理与整合相关的分析之前,这些作业就会发生。这些分析也可能送入包括交付情况更新与客户相关通知等供应链管理中。


此外,这些类型的平台常常整合多种功能,包括协定翻译、资讯安全、通讯与机器学习(ML)的分析等。它可以透过包括虚拟化与容器等不同软体技术的实现,并为所有的部署提供最大的弹性。


作业负载整合的功能性安全与资讯安全

在工业系统中,资讯安全对於涵盖各种弱点与威胁模型是最为重要的事。随着操作技术(OT)与资讯科技(IT)网路开始崛起,工厂以外也存在着更大的被远端攻击的风险,因此也为每个设备带来更高的安全需求。作业负载的整合平台必须实现硬体上的安全防护功能,也可以在虚拟机内运行安全相关应用。Arm拥有可实现端到端安全防护的众多资产,包含 Trust Zone、CryptoCell 与 PSA 认证等技术。


谈资讯安全不能忽略功能性安全。功能性安全更着重於环境中的实际状况。例如,我们要确保制造用的机器人不会在它们运作时对其本身、其它资产或工厂内的其它人类造成损害 -- 不管是在正常运作情况下,或是出现故障时。


Arm与功能性安全相关的技术,是工业应用中有效率地建置安全系统的关键。具有功能性安全的产品的开发方式相当关键,这也是Arm为何拥有严格的功能性安全流程来开发各种Arm安全就绪(Safety Ready)IP以及相关软体,以符合各种应用与功能性安全标准,包括IEC61508的需求。


在整合系统的方法中,不同的功能可能有迥然不同的功能性安全需求。这一点通常被称为「混合关键系统」,可能为产品的整体系统设计增加复杂性。


在作业负载整合中应对混合关键性系统

随着作业负载整合的进行,其中一项我们必须应对的既有挑战,与需求的差异有关。有些作业负载,譬如从洗衣机、电梯到重机械等所有东西内用来监控流程与系统的可程式逻辑控制(PLC)应用,本质上具有确定性的需求。依应用的不同,确定性或即时需求的程度也会不同。


这一部份对应到工业应用上的就是周期时间。在某些作业负载整合应用中,利用像 Arm Cortex-A 系列的应用处理器运行即时作业系统(RTOS),可以提供可接受的确定性水准--这称为「弹性的即时」(soft real-time)。其它的应用可能需要更为紧迫的周期时间,由诸如 Arm Cortex-R 系列等即时处理器提供的更为精准的「严格的即时」(hard real-time)运算。


其它的就更为泛用,例如处理运算系统与人类操作员彼此间讯息交换的人机介面(HMI)。


有些应用可能也具有功能性安全的需求。在所有的整合系统中,这些个别的关键需求必须获得确保。但是,透过硬体与软体提供的干扰分离与免除,这些「混合关键性系统」应用可以在同一个平台上成功共存,高效且安全地运作。


Arm生态系在作业负载整合中扮演的关键角色

若要充份发挥作业负载整合的好处,需要多个元素无缝汇聚。作业系统,不管是通用的或即时的,以及虚拟机监视器都是成功实现的关键。这是 Arm 强大且活跃的生态系在提供与支援方面,可以扮演关键角色的地方,也将一起致力实现作业负载的整合。


作业负载整合为整个工业供应链带来许多好处,也解释了为何作业负载整合的部署持续加速。


由於许多的现行作业负载正在Arm的硬体上运行,作业负载整合是效能、功能性安全、资讯安全与即时处理方面,合??逻辑的下一步。有了我们合作夥伴的支援,Arm与它的生态系可以缓解开发的负担,并协助客户转向这种全新、简化的工作方式。


(本文作者Neil Stroud为Arm工业应用部门资深协理)


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