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工作负载整合强化IIoT管理效能 虚拟化技术让系统运作更顺畅
 

【作者: 王明德】2019年04月02日 星期二

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图一
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工业4.0掀起全球制造业新一波革命浪潮,与之前几次的工业革命不同,这次的智慧化变革,不仅透过各种技术强化原有OT体系效能,更与数位化IT系统链结,藉此优化企业营运能力,由这两年IIoT(工业物联网)落地速度的加快,就可看出整体趋势已然成形。然而在数位转型的同时,新型态的系统也为制造业带来新难题,而目前看来急迫性最高的问题,就是平台工作负载量。


与过去几次工业革命不同,工业4.0最大的突破,就是融合了OT与IT两大系统,透过数位化让OT系统的设备数据可被撷取、传输、储存、管理与分析,在此要求下,过去独立运作的各类工控设备,开始被集中到通用型的单一平台,也因此,此一平台需要具备强大的运算能力,以处理不同型态的OT设备。过去IT系统强化平台效能的做法,大多是从硬体面着手,不过OT系统由於涉及制程,稳定性求向来是第一要求,而过多硬体元件的运算平台,将直接影响系统稳定性,目前虽已有许多硬体厂商提出运算解决方案,然而要让过多异质性设备共存於同一空间,将提升资讯与系统整合的难度,对效能与成本也都有影响。因此在如何在减少硬体组件的同时,维持平台效能,就成为业者急欲解决的问题,而要解决此一问题,平台的工作负载整合(workload consolidation)将是必要做法。



图二 : 虚拟化与容器化的差异。(Source: Intel)
图二 : 虚拟化与容器化的差异。(Source: Intel)

虚拟化将是工作负载整合平台关键


简单来说,工作负载整合就是将多个已经数位化自动设备,整合到少量或单一平台,并以体积较小的软体运算技术,取代过去各类设备的专用运算硬体。过去OT系统中包括PLC、PAC、HMI…等设备,都有专属的运作逻辑,设备之间的硬体各自独立作业,彼此之间再透过各种工业通讯协定串接,此一特色虽已运作多年,稳定性方面也无庸置疑,但同一体系中同时存在不同硬体架构,不只让後续的维修难度增高,而且不同厂商的软硬设备均为封闭式设计,彼此无法链结,必须透过第3方系统整合商於後端整合,不但让系统的架构更复杂,同时建构时间与成本支出都会增加,工作负载整合则将各封闭性设备的软体移转至开放性平台,并以虚拟化技术运算,让系统在减少平台硬体元件数量的同时,具备维持运算效能、运作稳定性、降低资本支出(CapEx)、增加系统未来扩展弹性等优势。


工作负载整合在单一功能强大的平台上,以虚拟化建构独立的隔离环境,在每一环境中,各设备都有独立的操作系统,而虚拟化目前有两大关键技术,包括虚拟机器(Virtual machine)与虚拟容器(Container)。虚拟机器是建立隔离环境,并透过Hypervisor(虚拟机器监视器)链结底层硬体设备,透过软体规划,让每一设备在主机中都具有虚拟的的网路与储存环境。虚拟容器则是在使用者端的空间中,建立可透过中央应用程序共享内核与硬体资源的独立程序。


虚拟机器和虚拟容器各自有其优缺点与适用场域,後者在工业物联网的应用渐多,不过对制造系统而言,完全隔离环境十分重要,因此虚拟机器仍是目前工业系统的架构首选。而由此趋势也可看出,在新世代的IIoT架构中,虚拟化将成为系统的主要驱动力量,未来系统中各种只为单一设备设计的功能将会转为以软体处理的开放式架构,在虚拟化设计中,主机平台会被划分为多个以软体定义的隔离环境,并透过硬体资源的共享,降低系统成本。此外当所有资料都会汇集至开放性架构後,系统将以统一的资安系统控管资料,这也可进一步提升系统的安全性。



图三 : 生态系统虚拟化解决方案。(Source: Intel)
图三 : 生态系统虚拟化解决方案。(Source: Intel)

Intel®VT强力支援虚拟化系统


由於虚拟化已成为新世代工业系统的必要设计,在系统中扮演运算关键角色的处理器也就必须同步进化,在晶片中支援虚拟化,以满足系统所需。以Intel为例,Intel® Virtualization Technology (Intel®VT)透过多工负载平衡、虚拟机器隔离等设计,以满足系统对虚拟化运算的需求。


另外Intel®VT也更有效分配了快取记忆体、I/O输出入埠与主记忆体等运算资源


,同时提升其安全性,Intel的虚拟化技术可统一管理处理器、记忆体、I/O、网通等硬体资源,提供虚拟机器稳定且高效能运作。虚拟化的工作环境让不同的工作负载容易在不同的Intel平台中移转, 增进系统的弹性及方便未来的升级,并降低系统复杂度与成本,让架构更精简稳定。


工业4.0需要透过庞大的产业生态体系,方能建构出完整系统,在工作负载整合环节也是如此,在内部产品部分,Intel®Xeon®、Intel®CoreTM、Intel®Atom®等处理器产品,都已整合了Intel VT,至於外部生态系统,Project ACRNTM则是符合IIoT即时、安全要求,由於开放原始码,使其兼具弹性与轻量特色。


目前Intel VT在工业领域已开始落地应用,与美国Rockwell Automation将Intel Core i7作为旗下Allen-Bradley CompactLogix 5480控制器的运算核心,并可储存其Logix工业控制和Windows 10 IoT Enterprise操作系统,并将PLC、HMI和作业软体整合至单一系统中,落实系统可是化愿景,并提升产线效能。


Intel的虚拟化产品已建立起完整的产业生态链,除了与各嵌入式软体厂商合作外,硬体方面,台湾大部分工业电脑厂商、ODM皆已将Intel VT技术纳入产品设计之中,将虚拟化技术建置於智慧制造系统,相关软硬体厂商都可协助有意导入虚拟化技术的制造系统业者,设计出打造出最适化智慧制造平台,在严峻的市场站稳脚步。



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