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让边缘计算成为云计算打破瓶颈的钥匙

2019/11/05
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物联网时代,万物互联的设想让应用开发面临诸多挑战:更高效率、更低功耗、更加安全以及更易开发等。要解决这样的难题,传统用于数据计算、存储和传输的云计算便开始出现“体力不支”。正如瑞萨电子中国 Enterprise Infrastructure 事业部部长陈建名(Angus Chan)所言,“在未来的几年里,预计将会有超过一万亿的物联网设备连接至云端。但中心化的云计算,需要高速网络带宽的支持,以及处于边缘的设备对计算的响应速度要求越来越高。低延迟和高流量的计算负载压力导致了云计算这种集中式的计算处理模式越来越受到诟病。”

瑞萨电子中国 Enterprise Infrastructure 事业部部长陈建名(Angus Chan)

在这样的背景下,已经提出多年却一直不温不火的边缘计算开始爆发。边缘计算可以在数据产生源端或者附近就对数据计算处理,只把处理后的结果数据传送到数据中心,相比于把源数据传送到云计算中心或者数据中心集中处理,极大地节省了数据通信带宽。同时,由于有了边缘计算,更少的敏感信息被集中传输到云端,提高了信息安全保障。

陈建名认为,网络边缘智能化将成为未来重要的发展方向。伴随 5G 网络的建设,物联网成为重点网络之一。业内预计,到 2020 年将有超过 500 亿的终端与设备联网,仅中国就会产生 100 亿以上的物联网连接数。各行各业都希望部署物联网,为客户提供更加智能、便捷的产品和服务。边缘计算因其技术上具备的敏捷、实时、智能、安全等特点,成为物联网终端的必然发展方向。

但是,发展边缘计算并非直接是要革云计算的命,而是边缘计算将给现在的云计算带来极大的性能提升,两者将携手面对物联网时代的数据洪流。陈建名对此的理解是:

如果说云计算系统是一个人的大脑的话,那么边缘计算便是人用来感知世界的眼睛、耳朵、手脚。再智慧的的大脑,如果失去了对外界的感知,那么也就再无用武之地。回到咱们的话题本身,在如今的大数据时代下的应用往往存在着这样一个痛点,那就是如何采集到最及时、最准确的数据。而边缘计算的出现,通过在现场安装和连接智能设备实时采集数据并进行简单处理,免除了通过网络上传数据所带来的信息延迟,大大提升了效率。可以说,边缘计算的出现为云计算本身带来了全新的变革。但是,不论是完全依赖云计算, 还是单纯依靠边缘计算,都会产生各种各样的问题。但当二者共同协作,云计算把握全局,边缘计算专注局部,才能发挥最大的功效。

边缘计算时代的到来,数据量将继续呈指数性增长,对于数据中心的需求将会只增不减,但是,需求本身将会发生一定的改变。在半个多世纪以来,大型数据中心一直是网络计算和连接的支柱。但在边缘计算时代到来后,大量数据源将会呈碎片式分散化。此时,由于地理距离以及数据量等因素,大型数据中心便显得力不从心。在我看来,边缘计算时代下的数据中心将会更加侧重于大规模计算与小规模设施。为了满足目前的全新需求,将会有越来越多的边缘数据中心建设以及部署,这种小规模的数据中心将会提供更快的数据处理及分析速度,以及更好的数据安全性。

他表示:“随着边缘化计算时代的到来,会有越来越多的应用领域需要边缘化的数据处理,以保障数据的实时处理效率与数据的隐私安全。目前我们瑞萨的边缘计算产品已经覆盖多个领域,包括工业、人工智能、无人驾驶、物联网等行业。”

他认为任何产业的发展都是源于需求的带动,全新的数据需求也就促成了边缘计算的爆发。他将其分为三类:

首先是个人边缘计算的需求,比如说我们日常使用的智能手机家用机器人、可穿戴手表、智能音箱等一系列设备,这些设备都会在日常的使用中产生数据;

其次是业务边缘计算的需求,适用于公司等办公地点,用于支撑小范围区域内产生的数据进行实时的集中、交互、以及处理;

最后是云边缘计算的需求,也就是云平台的相互协同,例如语音处理、人脸识别、AI 医疗等需要多个云平台的共同协作,这些都需要边缘计算提供更为实时准确的数据。

值得注意的是,当前的边缘计算虽然展现出了潜力且发展态势迅猛,但是依然有诸多难题待解,比如基准程序和行业标准,又比如可编程性和服务管理……陈建名对此深有感触。

他指出:

随着边缘计算技术的高速发展,目前学术界与工业界已经着手去研发了许多针对不同边缘计算场景的硬件软件系统平台。传统的计算场景都有着自己独特的经典基准测试集(Benchmark),例如并行计算场景中的 PARSEC、高性能计算场景中的 HPCC、大数据计算场景中的 BigDataBench。但是边缘计算目前来说算是比较新的计算场景,所以目前业界还没有一个相对较为权威的,用于对这些软件或硬件系统及进行评测的经典基准测试集(Benchmark)出现。

由于边缘计算本身所有的场景覆盖面极广的特性,目前来看是不会出现一个统一性的基准测试集可以适应所有场景下的边缘计算平台。如今行之有效的方法便是针对边缘计算的每一类计算场景推出一个经典的基准测试集,之后各个基准测试集互相融合借鉴,找出边缘计算场景下的若干类核心负载,最终形成边缘计算场景中的经典基准测试集。当有统一的标准出现后,产品兼容部署困难这一难题便会迎刃而解。

关于动态调度与数据安全问题,首先动态调度是由于在边缘计算中,设备产生的的海量数据无法通过现有的带宽资源传输到云计算中心进行集中式计算,且不同边缘设备的计算、存储能力均不相同,因此,边缘计算系统需要根据任务类型和边缘设备的计算能力进行动态调度。所以边缘计算的服务模式较为复杂,具备很强的实时性。现在的边缘计算领域主要依靠边缘云,采用分布式计算与存储,实现分布式资源的动态调度与统一管理。通过统一的分布式管理数据,数据的安全性上将得到很大程度的保障。

虽然困难重重,不过边缘计算行业近一两年取得的进步还是有目共睹。在未来,随着新兴网络技术和新的器件的出现,边缘计算将展现出更大的技术魅力。比如边缘计算和 5G 的结合就让从业者充满美好的寄予。陈建名分别从设备域、网络域、数据域、应用域四个层面阐述了 5G 和边缘计算的结合。

先谈谈设备域:边缘计算在这一层,可以对感知的信息直接进行计算处理。比如在视频采集、音频采集中直接部署智能鉴别的能力;又或者像手机一样,能够由语音输入直接转换成文字输出。5G 时代,连接设备数量会大量增加,网络边缘侧会产生庞大的数据量。如果这些数据都由核心管理平台来处理,则在敏捷性、实时性、安全和隐私等方面都会出现问题。但采用边缘计算,就可以就近处理海量数据,大量设备可以实现高效协同工作,诸多问题迎刃而解。

再谈谈网络域:通过部署计算能力,实现各网络协议的自动转换,对数据格式进行标准化处理。要解决物理网中数据异构的问题,就需要在网络域中部署边缘计算,以实现数据格式的标准化和数据传递的标准化(例如将所有的感知数据都换算成 MQTT 类型数据,并通过 HTTP 方式传递)。同时,网络域的边缘计算,还能对“融合网络”进行智能化管理,实现网络的冗余,保证网络的安全,并可进一步参与网络的优化工作。

下面要谈到的是数据域:边缘计算使得数据管理更智能、存储方式更灵活。首先,边缘计算可以对数据的完整性和一致性进行分析,并进行数据清洗工作,消灭系统中的“脏”数据。其次,边缘计算可以对计算和存储能力、以及系统负载进行动态地部署。最后,边缘计算还能和云端计算保持高效协同、合理分担运算任务。

最后讲一下应用域:边缘计算提供属地化的业务逻辑和应用智能。它使得应用具有灵便、快速反应的能力,并在离线的情况下(和云端失去联系时),仍能够独立地提供本地化的应用服务。边缘计算与 5G 的结合,应用领域主要分为四个大类,即无线类业务、大视频、车联网智能制造

“目前的云计算市场经过近几年的快速发展已经成为了一个庞大的全球化信息产业。但没有技术架构是完美无缺的,云计算的发展目前也遭遇了瓶颈,而边缘计算便是云计算打破瓶颈的那把钥匙。” 陈建名讲到。

从陈建名的言语里我们可以看出瑞萨电子对边缘计算研究颇深,且寄予厚望。作为全球领先的微控制器、模拟功率器件和 SoC 产品供应商,瑞萨电子在边缘计算领域推出了多款产品。

通过陈建名的描述我们总结到:

针对边缘计算所要求的高性能运算和存储需求,瑞萨电子推出了兆字节闪存和百位千字节内存,200MHz 频率范围的 Synergy S7 系列。以及针对实时系统(也支持 Linux) 的入门级 MPU RZ/A 系列。RZ/A 系列搭载了高容量和高速内部 RAM, 能大大简化电路设计从而减少所需空间。

瑞萨电子的器件帮助客户提高产品的安全特性。在工业设备领域,“功能安全性”越来越成为防止故障和事故对工厂运行产生不利影响、人员伤害对社会造成不利影响以及遭受相关经济损失的重要方法。由于功能安全性标准广泛应用于各种工业领域,为了减少客户的开发负担,瑞萨电子提供功能安全性解决方案安全包、安全参考套件以及具有安全支持(IAR 系统)的开发工具。

同时,瑞萨电子还推出了安全 IC 解决方案 RSA Security,经过现场验证的瑞萨安全 IC 解决方案是一整套硬件和软件。其硬件有一个专用的安全协处理器,它基于用于流行的先进引擎系列微控制器的核心技术开发。软件由开放资源 Java Card OS 和强大的高速加密算法库组成,可提供较高水平的性能和安全性。

此外,瑞萨电子还推出了为工业物联网端点设备提供高级别安全性的 Platform 新增低功耗 S5D3 MCU 产品组,并推出了安全创新分析工具 - 图形用户界面(GUI)CAR(可定制分析报告)工具,可让客户快速将瑞萨产品集成到其与安全相关的产品中,同时提高用户对系统符合最新安全标准的信心。

在边缘计算要求的低功耗方面,瑞萨电子已经推出的 RL78 系列产品,功耗最低可达 46μA/MHz,拥有丰富的低功耗模式,包括暂停(DMA 及所有外设都工作)模式、SNOOZE(ADC、CSI/UART 工作)模式、以及丰富的 STOP 模式(RAM 保持)。RL78 在 STOP 模式下,可以灵活配置各种外设,以达到安全性和灵活性的最大平衡,并保持低功耗特性。同时,STOP 模式下 RAM 数据可以保留,从而实现唤醒。在低功耗模式下启用 WDT(看门狗),功耗只有 0.45μA,而家电产品常用的时钟+RTC 运行时,也只有 0.49μA,而全外设开启的低功耗模式为 0.81μA,整体功耗还是很低。

其他的低功耗产品有:MCU 78K0/Kx2-L、4Mb 静态 RAM R1LP0408D、RTC、64Mb 与 32Mb 的 SRAM 产品系列等。

陈建名表示:“瑞萨电子将把握住这一市场机遇,不断在技术研发上突破创新,助力边缘计算释放技术红利,推动边缘计算产业生态蓬勃发展,赋能下游企业,为用户带来低时延、高效率、更安全的体验。”

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(RENESAS)于2003年4月1日—由日立制作所半导体部门和三菱电机半导体部门合并成立。RENESAS结合了日立与三菱在半导体领域方面的先进技术和丰富经验,是无线网络、汽车、消费与工业市场设计制造嵌入式半导体的全球领先供应商。创立日期2003年4月1日公司法人董事长&CEO伊藤达业务范围单片机逻辑模拟等的系统LSI、分立半导体元件、SRAM等的存储器开发、设计、制造、销售、服务的提供。集团成员44家公司(日本20家,日本以外24家)年度销售额2006财年(截止至2007年3月):9526亿日元(约83亿美元)从业人员:26000人(全世界20个国家、43家公司)瑞萨科技是世界十大半导体芯片供应商之一,在很多诸如移动通信、汽车电子和PC/AV 等领域获得了全球最高市场份额。瑞萨集成电路设计(北京)有限公司苏州分公司(RDB-SU)是瑞萨科技全资子公司,2004年1月成立以来,现已拥有150多名优秀工程师,承担着家电和汽车电子领域MCU的一系列设计工作,并在2006年4月开始开发面向中国市场的MCU。

(RENESAS)于2003年4月1日—由日立制作所半导体部门和三菱电机半导体部门合并成立。RENESAS结合了日立与三菱在半导体领域方面的先进技术和丰富经验,是无线网络、汽车、消费与工业市场设计制造嵌入式半导体的全球领先供应商。创立日期2003年4月1日公司法人董事长&CEO伊藤达业务范围单片机逻辑模拟等的系统LSI、分立半导体元件、SRAM等的存储器开发、设计、制造、销售、服务的提供。集团成员44家公司(日本20家,日本以外24家)年度销售额2006财年(截止至2007年3月):9526亿日元(约83亿美元)从业人员:26000人(全世界20个国家、43家公司)瑞萨科技是世界十大半导体芯片供应商之一,在很多诸如移动通信、汽车电子和PC/AV 等领域获得了全球最高市场份额。瑞萨集成电路设计(北京)有限公司苏州分公司(RDB-SU)是瑞萨科技全资子公司,2004年1月成立以来,现已拥有150多名优秀工程师,承担着家电和汽车电子领域MCU的一系列设计工作,并在2006年4月开始开发面向中国市场的MCU。收起

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与非网副主编,网名:吴生,电子信息工程专业出身。在知识理论的探寻之路深耕躬行,力求用客观公正的数据给出产品、技术和产业最精准的描述。