利用工作负载整合加速工业4.0的实现

Intel工作负载整合强化边缘运算。

工作负载整合(Workload Consolidation)并不是一个新概念，透过运用软件和硬件整合的技术，把过去在专用硬件平台上执行的各种企业应用程序整合在一个硬件平台上，多年来它已成为IT基础架构的一部分，并为业者带来更低的IT成本、更高效的运作、以及更易于管理和存取数据等多重效益。

同样地，在工业4.0趋势推动下，制造工厂正积极朝数码化及物联网(IoT)应用转型。但是，现有许多工厂仍采用各种专属设备以及特定厂商的系统来执行既有的工厂自动化运作，将难以因应装置彼此互通与扩充的需求。此外，随着边缘运算的发展，更多的边缘装置须具备更高的运算能力来支持深度学习、预测性维修分析等新的工作负载。为了在IoT时代中提升营运效率并保持竞争优势，制造业者正寻求新的技术将各种既有以及新的工作负载整合在更少的硬件平台上，这已使工作负载整合技术的重要性日益凸显，更成为实现工业4.0的重要关键。

工作负载整合解决的问题与效益

由于工厂将布署各种传感器，预估未来的智能工厂一天将产生高达1PB的数据量。这些大数据无法都在云端进行运算，势必需要具备更高运算能力的终端装置来处理。根据IDC的预测，随着IoT的发展，在带宽资源、安全性与实时回应等各种考量下，2019年将有45%的数据量会在边缘装置进行储存、控制与分析。

然而，多年来工厂中的机器设备，包括PLC、HMI、IPC和PAC等，大都是来自不同的供应商，采用不同的专属软件及协定来执行各别的特定功能，彼此不具互通性，无法共享资源并处理IoT布署所产生的庞大数据量。而且，此架构会提升系统的复杂度、增加维护成本，难以因应业务的成长进行扩充。

要解决此问题，可透过导入工作负载整合技术，利用开放性运算技术来取代各个专属用途的硬件设备，并把多个运算作业整合到少数的硬件平台上。由于精简了硬件基础架构，并能更充分利用既有资源，将有助于实现最佳化运作。因此，它能为制造商带来显着的固定投资成本(CapEx)降低，同时藉由提升效率与简化作业，也能减少营运成本(OpEx)。

除了提升既有作业的效率之外，更重要的是，新一代的智能工厂还将导入AI深度学习、功能性安全(Functional Safety)、预测性维修、安全功能等新的技术，如果既有的基础架构运算能力不足，又不易升级，将会成为迈向工业4.0的一大障碍。

此外，由于采用标准的硬件平台，业者的选择性更多，不会受限于专属的设备供应商，系统的建置更具弹性，维修也更为简易，可降低整体的拥有成本(TCO)。

现代化的工业IoT架构

现代化的工业IoT基础架构是软件定义与驱动的。透过采用工作负载整合技术，能把硬件从软件分离出来，把作业功能性转换为应用程序，而不是专用的硬件设备。每个软件定义的环境是以独立、互不干扰的子系统运作，来执行特定的应用程序，而通用的底层硬件平台则是提供所需的运算资源，来支持所有的运作。

为了实现灵活性与互通性，此基础架构必须建立在共通、开放的虚拟化平台上，能够整合、执行并管理所有类型工业或运算工作负载。业者可以将既有的多种应用程序软件移植到虚拟化平台上。

举例来说，在一间西班牙能源公司建立的大型太阳能发电厂中，有高达20万个太阳能聚热镜板，若依照传统架构，需要10万台的PLC控制器来调整这些聚热镜板的角度，成本非常昂贵。透过Intel与Wind River的协助，导入工作负载整合技术，在Xeon平台上以软件定义方式，把系统架构简化为仅需200多个PLC控制器便能达成相同的目标，大幅地降低建置与营运成本。

要实现工作负载整合，除了需要功能强大的运算平台之外，虚拟化中的Hypervisor和容器化(containerization)是两个重要的促成技术。

Hypervisor是用来虚拟化底层硬件，以建立一个区隔的环境(称为虚拟机VM)。每个VM都像是独立运作，有自己的操作系统与虚拟化的网络和储存资源。而容器化则是透过类似Docker等程序建立的区隔程序，但是共享核心与非虚拟化的硬件资源。

这两方式各有其适用范围，一般来说，具关键性、实时要求，且优先级高的作业会采用虚拟机技术，而容器化的占位小，布署简单，可最大化硬件效率，适用于同质性的工作负载。

过去，布署虚拟化技术会导致系统效能的降低。但是针对工业应用，随着多核心CPU、实时操作系统(RTOS)、轻量型hypervisor、硬件虚拟化功能、以及专为工业IoT开发的解决方案堆叠等技术的进展，已能大幅提升虚拟系统的反应速度，实现高效能解决方案。

Intel建构工业用工作负载整合的生态系统

凭藉着在企业工作负载整合市场的丰富经验，Intel已针对工业应用积极建构完整的生态系统。首先，Intel在其Xeon、Core和Atom处理器中均整合了虚拟化技术(VT)，可为虚拟化软件提供所需的硬件资源，进而降低建置的成本与复杂度，同时Intel VT技术可为系统架构中的各种元件，包括CPU、存储器、以及I/O，提供虚拟化支持。

此外，由于制造业范围广泛，不同产业对工作负载整合的需求与考量不尽相同，依客户需求，可能采用商用或开放源的虚拟化软件，Intel也都与相关业者合作，以为客户提供最适切的解决方案。像是，在硬件方面，台湾许多工业电脑厂商皆已将Intel VT技术纳入产品设计之中；软件方面，除了Wind River等多家合作夥伴之外，也特别投资自己的开源hypervisor ─ Project ACRN，用于较关键的工作负载。这是一个专为满足工业IoT需求开发的开放源hypervisor，可实现嵌入式装置所需的实时、安全性及最佳化作业。

随着工业IoT的快速发展，具显着效益的工作负载整合技术已逐渐受到业者的采用，像知名工控业者Rockwell Automation已经推出基于Intel Core处理器的控制器，把PLC、HMI、分析和使用者应用程序整合在单一平台上。相信此趋势未来将逐渐成为主流，Intel也将致力于建构生态系统，与合作夥伴共同推动工作负载整合技术在工业IoT的应用。