Mit IPCs von DFI

Edge-Designs für Fabrik, Fahrzeug und Medizin

31. Januar 2022, 7:00 Uhr | Von Jarry Chang

Edge-Geräte sind keine neue Erfindung, jedoch müssen sie immer mehr Daten verabeiten. Außerdem werden KI-Algorithmen zunehmend am Netzwerkrand berechnet, da die Cloud nicht immer verfügbar ist. Aus dem Grund, hat DFI einige leistungsstarke Edge-KI-Geräte entwickelt.

Im Zuge von Industrie 4.0 und einer zunehmenden Vernetzung gilt das »Artificial Internet of Things« (AIoT) als Rückgrat der künftigen Betriebstechnik. In den Anfängen entsprach das IoT einer Architektur mit zentraler Datenverarbeitung: Alle Daten von lokalen Sensoren und Geräten wurden zentral gesammelt und an die Cloud gesandt. Jedoch kann die zentrale Architektur mit zunehmender Arbeitslast nicht mehr in Echtzeit reagieren. Grund sind hohe Latenzzeiten und instabile Netze. Insbesondere gilt das für Applikationen, die auf Machine Vision basieren und sehr große Bilder verarbeiten und analysieren müssen.

In dem Zusammenhang entstand das Konzept der künstlichen Intelligenz (KI) am Edge: Ziel war es, die Rechenleistung der Endgeräte zu verbessern und sie zu befähigen, unabhängig zu arbeiten und in Echtzeit auf lokale Ereignisse zu reagieren. Mithilfe fortlaufender Analysen und Algorithmen, hilft KI am Edge der Maschine, wie ein Mensch zu denken, auf dynamische Prozesse zu reagieren und Erkenntnisse über den jeweiligen Prozess zu gewinnen. Die hierbei gesammelten Daten sollen dem Anwender beim Optimieren des Prozesses helfen. KI-Edge-Geräte sollen zudem mehr Leistung ermöglichen und unabhängig arbeiten – mit dem Ziel, das Risiko von Betriebsstörungen im Falle einer Netzwerkinstabilität oder -unterbrechung zu verringern. Außerdem sollen sie den Betrieb und die Sicherheit kritischer Anwendungen wie selbstfahrender Fahrzeuge oder industrieller Kontrollsysteme gewährleisten.

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Leistung am Edge ermöglichen

Für den Aufbau eines stabilen und langlebigen KI-Ökosystems ist ein robuster und langlebiger Industrie-PC (IPC) mit geringem Platzbedarf unerlässlich. Normalerweise steigt die Rechenleistung mit der Größe des Computers – aus dem Grund konnten Entwickler IoT-Geräte in der Anfangszeit nicht verkleinern. Große Geräte benötigen einerseits viel Leistung, andererseits passen sie lediglich schwer in enge Räume. Das einzig mögliche Szenario, den Rechenbedarf zu decken, bestand darin, die Computergröße bei gleicher Leistung zu verringern.

Jedoch ist die Miniaturisierung von Computern herausfordernd für Leiterplattendesigner, insbesondere wenn es die Rechenleistung nicht beeinträchtigen soll. Jede Schnittstelle – zum Beispiel M.2 – oder Komponente wie das BIOS, erfordern einen Schaltkreis zum Übertragen des Signals. Aus dem Grund nehmen Schnittstellen und Komponenten umso mehr Platz ein, je mehr Funktionen das Board besitzt, umso weniger Platz ist für das Schaltungsdesign verfügbar. Eine Möglichkeit, mehr horizontalen Platz für das Layout zu gewinnen, sind mehr Lagen auf der Leiterplatte unterzubringen (Bild 1). Jedoch verdoppeln sich hiermit ebenfalls die Kosten. Zudem würde das zu Signalinterferenzen zwischen den einzelnen Lagen führen, da die Höhe der einzelnen Lagen nach dem Laminieren der Leiterplatte schrumpft. Außerdem hängt die Konfiguration von Schnittstellen und Komponenten mit der Effizienz der Wärmeabfuhr zusammen. Erzeugen die Komponenten zu viel Wärme und sind eng konfiguriert, kann es auf der Leiterplatte zu Problemen mit dem Abführen der Wärme kommen – eine verkürzte Lebensdauer des Geräts ist die Folge.

Ideen beim Design gefragt

Die oben genannten Schwierigkeiten sind von der Entwicklungsabteilung im Unternehmen zu lösen. Hier ist Erfahrung beim Entwickeln der Platine und der Auswahl von Bauteilen entscheidend. In der Phase der Bauteilplatzierung werden der Wärmewirkungsgrad und der Preis der Bauteile aufgrund von Erfahrungswerten sorgfältig abgewogen. Bauteile mit sehr guter Wärmeableitungseffizienz sind in der Regel teurer als gewöhnliche Bauteile. Zudem sollten Entwickler alle Komponenten auf Zuverlässigkeit bei Temperaturen von -40 bis +80 °C prüfen. Lediglich so ist die Lebensdauer des Geräts zu gewährleisten, wenn es im Außenbereich winterlichen Temperaturen oder starker Hitze im Sommer ausgesetzt ist.

Beim Entwurf des Schaltkreises für das Übertragen der Signale vom Prozessor zu den Komponenten sind außerdem induktive Störsignale zu berücksichtigen – sie sollten auf einem Minimum gehalten werden. Aus dem Grund ist bei den Maßen des Layouts das Signal-Timing und der Abstand zu anderen Schaltkreisen zu berücksichtigen. Effiziente Layouts sind innerhalb von 12 Lagen fertigzustellen, einschließlich der Signallagen und der Bezugslagen. Bei mehr als 12 Schichten wären die Kosten lediglich schwer mit den Wünschen des Kunden zu vereinbaren. Zudem würden sich die Signale gegenseitig stark stören, wenn sich die Schichthöhen reduzieren.

Entscheidend ist, ein kompaktes Board zu entwerfen, das die verbesserte Leistung der CPU voll ausschöpft. Dank der geringen Größe und der langen Lebensdauer können Edge-Geräte kompliziertere Aufgaben als bisher ausführen: Sie können Bilder und Videos analysieren sowie an jedem Ort unabhängig arbeiten. Somit sind flexible Industrie-PCs verstärkt im Bereich KI im Einsatz – das verändert Branchen wie die Produktion, das Gesundheitswesen oder ist Treiber von Trends wie dem autonomen Fahren.

Fabrikroboter entscheiden selbstständig

Als ein Beispiel dient die Fabrik. In den letzten Jahren haben immer mehr Produktionsbetriebe begonnen, ihre Läger auf digitale Prozesse umzustellen – das traditionelle Materialtransportsystem verbrauchte enorm viele Arbeitskräfte. Menschliche Fehler führten häufig zu einer schlechten Bestandsverwaltung und sogar zu Verzögerungen beim Herstellen des Produktes. Um die Effizienz des Zustellens von Bauteilen und Produkten zu verbessern und Fehler zu reduzieren, sind autonome mobile Roboter (AMR) gute Helfer.

Zum Beispiel nutzen Fabriken die KI-Leistung von mobilen Robotern, um Transportarbeiten durchzuführen. Apropos AMR: Sie erfordern nicht nur Machine Vision zum Erkennen von Hindernissen, sondern ebenfalls die analytischen Fähigkeiten zum Rekonstruieren von Karten und dem Planen der besten Route. In einigen Lagern mit dichten Regalen ist für eine maximale Lagerkapazität die Größe von AMRs zu reduzieren. Hier sind Industrie-PCs mit kleinem Formfaktor die einzig mögliche Option, um einen kompakten AMR zu entwickeln, der sich flexibel zwischen den Regalen bewegen kann (Bild 2).