边缘的挑战

文/凯文·福格蒂，埃德·斯珀林

随着科技行业开始应对这样一个事实，即传感器将产生太多数据，无法将所有数据发送回云端进行处理，边缘计算正在慢慢走向主流。

最初的想法物联网/IIoT以及其他联网设备，就是这么简单传感器将原始数据通过一个或多个网关中继到云端进行处理。这些网关可以在公司、家庭、工业运营中，甚至可以在联网的汽车中。但很明显，这种方法是站不住脚的，因为即使使用5G等高速通信技术，也有太多数据需要处理。

负责HBM营销的Tien Shiah表示:“一台个人电脑每天将产生90兆字节的数据。三星．“一辆自动驾驶汽车每天将产生4tb的数据。一架联网的飞机每天将产生50tb的数据。”

大部分数据都是无用的。一辆自动驾驶汽车将从雷达、激光雷达和各种摄像头收集数据。其中一些将用于训练算法，以提高车辆的安全性和整体性能，这些算法将被传输到云端。其中一些需要即时响应，以避免事故或实时解决问题，这些问题需要立即在当地进行处理和采取行动。大部分都会被丢弃，就像监控录像一样。

如果预处理是在本地完成的，那么需要在云中或某些中端服务器上进一步处理的数据就会少得多。其结果是，以更少的资金和更少的电力获得更好的性能，从而实现自动驾驶汽车、无人机甚至机器人所需的那种快速响应。这些就是边缘计算突然受到如此多关注的关键原因。它使计算任务更接近数据的来源，在自动驾驶汽车的情况下，最终可能是在传感器单元本身。

这也很重要人工智能，机器学习而且深度学习应用程序，这些应用程序可能连接到运行中的系统，也可能不连接到运行中的系统。AI/ML/DL的关键是能够在本地设备上进行推理，这提高了安全性和性能。不过，这为边缘计算模型带来了全新的变化。用于训练这些系统的gpu可以并行运行，因为它们是基于权重和浮点计算的系统。

相比之下，推理涉及定点计算，在asic、fpga或dsp上运行最好，通常不会从高度并行的架构中受益。推断的更大问题是内存吞吐量，这就是为什么一些设备正在使用先进的包装．在这里，这不仅仅是在一个问题上投入更多处理器的问题。它需要一种系统的方法来设计(在某些情况下是多个连接的系统)，包括优化一些信号相对于其他信号的吞吐量。这会影响整个数据路径。

"内存再次成为瓶颈，"微软产品管理高级总监Frank Ferro表示Rambus．“当你观察节点上的处理时，DDR没有跟上。许多正在出现的应用程序，无论是AI还是ADAS，都需要更高的内存带宽。这就是我们开始看到新的系统和内存架构的地方2.5 d，HBM和GDDR6。”

此外，这些应用程序中的许多都是由电池供电的，或者必须在高度限制的电力预算内运行，开发这类设备的难度看起来更加具有挑战性。

发展的标准
对于所有这些边缘设备，标准几乎处于不断变化的状态。5克预计它将成为边缘设计的一个不可或缺的组成部分，但至少还需要几年时间，而且可能会以多个不同的版本推出。因此，虽然第一个实现可能是6 GHz以下，但未来的版本将利用24 GHz以上的频谱，最终达到毫米波。

实际上，这是一个移动的目标，这使得某种程度的可编程性变得至关重要。与过去可以为数十亿部智能手机开发应用处理器不同，5G将被用于连接更多设备，而不仅仅是手机。但这些设备中使用的无线电并非都是相同的。它们需要随着规格的变化而发展，因为其中一些设备需要持续使用十年或更长时间，而不是仅仅几年，直到下一个智能手机发布。

“如果你看看3G和4G，你会发现市场的周期性非常强，”中国电信战略规划高级总监迈克•菲顿(Mike Fitton)表示Achronix．“在市场周期的早期，他们就能够使用ASIC来降低成本和功耗。对于5G，它正在从超高频向毫米波转变，所以它从非独立设备开始，然后是独立设备。但正因为如此，fpga将会存在更长的时间，eFPGAs将开始变得更有意义。”

5G的多阶段采用路线图帮助eFPGAs在ASIC设计的支柱之一中获得了立足点。该公司首席执行官Geoff Tate表示:“与5G之前相比，人们对5G的eFPGAs的兴趣越来越大Flex Logix．“FPGA可以让你摆脱SerDes，从而节省大量电力。”

但5G是高频的这一事实也意味着信号传播的距离不会那么远，甚至不会穿过一些窗口，这使得在实施足够多的中继器和基站波束形成技术之前，与云端的通信不那么可靠。这反过来又会对边缘设备产生连锁反应。这意味着5G要足够可靠、足够普及、能够在云中处理更多数据还需要数年时间。

除了5G，使用其他更短距离的方法也能提高无线速度。新的802.11ax标准使用多用户多输入多输出(MU MIMO)以及正交频分多址(OFDMA)，可以平均相邻小区的干扰。结果是，边缘设备可以在本地进行更多的处理，在临时级别进行进一步的处理，因此实际上需要发送到云中并返回的更少。

“有很多新的高端用户正在关注上行和下行链路的新需求。这些人是创作者、游戏玩家和合作者，他们确实需要一个速度更快、吞吐量更高、数据速率更高的网络。迈威尔公司．“802.11ax还提供多用户MIMO和OFDMA，他们可以无缝使用。”

定义边
然而，边缘计算最大的问题之一是，它是一种处于过渡阶段的技术。它是在发展过程中被定义的。今天，你实际上无法订购能够支持特定物联网设备、基础设施和计算需求组合的专用边缘计算产品。

ZK Research首席分析师宙斯•克拉瓦拉(Zeus Kerravala)表示:“目前，边缘计算基本上只是空谈，但确实有进展。”“英伟达与Arm宣布的合作，以及英特尔宣布的边缘处理器都是专为边缘而设计的基础产品，你需要在设备、网关或其他设施上增加处理能力，而不是将其发送到云端。”

事实上，这一领域已经取得了切实的进展。英伟达宣布伙伴关系

图1:目前提供边缘解决方案的部分公司名单。资料来源:IHSMarkit/Semiconductor Engineering

今年2月，英特尔推出了14款新的至强处理器，功率要求从4核到18核不等，功率要求从60瓦到110瓦不等。英特尔和英伟达/Arm的产品都在靠近终端的地方增加了更多的功能，但都不是将数据发送回云端的理想替代方案。

高通在今年2月宣布推出其用于物联网设备的嵌入式平台移动CPU，该CPU支持多核处理，用于计算机视觉、人工智能和虚拟现实、数字标牌、机器人和其他应用的沉浸式多媒体。

并非每个应用程序都需要深度视觉分析或实时决策，但这类应用程序正变得越来越普遍，不仅适用于自动驾驶汽车、增强现实和智能手机上的面部识别应用程序。

Kerravala说:“如果你是一家赌场，你想要在摄像头中拥有机器学习能力，对潜在的骗子进行实时面部识别，或者如果你是一个城市，想要使用智能摄像头监视公园里的跟踪者，你不会想要把每张图像都回溯到云端来做决定。”

一个不短缺的边缘组件是物联网网关。在消费者方面，物联网网关包括苹果的HomePod、谷歌的Nest，奇怪的是，2月份Mozilla宣布取消Project things，该项目提供软件和说明，帮助任何拥有树莓派的人为他们的智能家居设备构建自己的物联网网关。

家庭物联网市场最终可能会超过工业物联网，但目前工业物联网正在设定速度和议程。IHS Markit分析师朱利安·沃森(Julian Watson)表示，对具有边缘计算功能的物联网网关的需求正在增长。需求集中在三个特定领域:

•为未直接连接到互联网的低功耗节点提供桥梁，例如基于蓝牙低能耗(BLE)或Zigbee的传感器。
•过滤流量，决定哪些数据应该在边缘处理，哪些数据需要发送到云端。
•管理这些边缘设备的安全性。

IHS Markit运营商网络研究和分析执行董事迈克尔·霍华德(Michael Howard)表示，物联网/边缘网关至少应该能够做到以下事情:

•通过删除和整合重复数据，减少物联网设备的原始数据量;
•将数据转换为紧凑和可读的上游应用程序的格式;
•添加数据，告诉上游应用程序将从什么样的设备获取什么样的数据;
•包括如何组织和完善数据的信息。

霍华德说:“如果你不能做到这些，你就只能把数据推到上游，这只会浪费时间和带宽。”“如果网关不能将原始数据细化为紧凑而有用的数据，那么数据中心或其他服务器就无法跟上你大规模获得的数据。处理必须在数据起源的地方进行，最好不止一次。”

所有主要的系统供应商都渴望在市场上分一杯羹，但对网关的需求才刚刚回升。这个问题比从几个传感器收集温度数据要复杂得多。特别是在工业物联网中，每个垂直市场的传统SCADA和其他自动化系统通常是封闭的、专有的，对新的通信技术不友好，并且不可能迅速摆脱，以避免芯片制造商和设备OEM的麻烦。

这些设备还可以使用过去30年几乎所有的有线或无线通信协议进行连接。霍华德说:“目前仍有大量的有线连接，用于建筑物内的恒温器控制，以及许多普通的、晦涩难懂的工厂自动化。”“自动化当今的制造过程是一件大事，你甚至不需要机器人来让它具有挑战性。它并不性感，但它是当今市场的一个真实部分。我们正处于市场的早期阶段，这是一条漫长的道路。所有这八种LP-WAN协议目前都已部署，很可能在很长一段时间内都不会被部署到一个可能存在于一个盒子中的奇怪协议中，因此这些上游物联网网关必须知道如何处理它们。”

已经承担物联网安装工作风险的最终用户愿意使用SigFox或LoRaWAN等lpwan，这些wan利用未经许可的工业、科学、医疗(ISM)无线电频率进行远程低带宽、低能耗的网络连接。

因为频谱是未经许可的，所以不需要运营商参与。林利集团高级分析师迈克·德姆勒表示，终端用户可以购买设备，并建立自己的物联网WAN链路，就像建立WiFi网络一样。

德姆勒说:“这有点像成本问题，但如果你想在大楼里部署SigFox，你就需要一个SigFox路由器，一堆SigFox传感器，然后把路由器连接到你的回程设备上。”“LoRaWAN并不完全是你自己动手，但它比低功耗LTE更胜一筹，而且对一些人来说确实管用。”

平台，而不是标准
在主流计算机供应商中，戴尔可能是最明显地迷恋网关市场的，尽管惠普也是一个积极的参与者。其他主要参与者包括NXP半导体、华为、Lantronix、意法半导体、Aaeon、Nexcom、思科、IBM、德州仪器和通用电气。

2011年，思科帮助普及了物联网世界拥有500亿台设备的预期，并因创造了“雾计算”一词来描述云和边缘计算设施之间的连接而受到赞誉。不过，该公司争夺的不仅仅是门户市场。除了旨在提供数据中心和边缘之间连接的网络产品(根据客户的喜好在关键节点安装处理、存储和安全性)之外，该公司还推出了一种网络产品窄带物联网管理平台2月。

除了雾计算产品，思科还销售一个物联网资产管理平台，旨在帮助物联网管理人员将事物整合在一起。去年年底，该公司推出了管理混合it环境的软件，扩展到边缘，帮助客户开始物联网集成。

物联网平台也不短缺，这是一种管理设备并与设备通信的软件，允许其他应用程序在其上运行或从中提取数据。根据麦肯锡公司2017年5月的一份报告，成熟市场通常有一到两家主导企业(Windows和MacOS或英特尔和英伟达)，第三家企业紧随其后，有时还会威胁到其中一家领导者。(Linux或Arm)。2017年6月的一份报告显示，在极度不成熟的物联网市场，有450个平台，比2016年增加了25%，尽管其中30个平台已经消失报告来自分析公司Iot-Analytics。绝大多数集中在商业市场，特别是制造业/工业、智能城市、能源和交通。

麦肯锡的报告称:“如果有100个物联网平台，那么就没有平台，只有有志者。”

结论
虽然人们对边缘技术究竟需要什么尚不清楚，但在与边缘技术交叉的各种市场和技术中，未来也存在大量机会。

“如果你回到几年前，你在芯片行业交谈过的每个人都在想接下来会发生什么，”高通公司首席执行官西蒙·西格斯(Simon Segars)说手臂．“他们经历了移动驱动一切的许多年，有大量的设计工作要做，然后移动增长率开始趋于平稳，每个人都在绞尽脑汁，想知道下一个大事件是什么。现在我们有很多下一个大事件，很难知道从哪里开始。有新的通信协议，无论是5G、LoRA、窄带物联网，以及新技术，这些技术本身就需要半导体设备的大量创新。你已经在云端拥有人工智能驱动芯片的世界。在边缘有推理，这推动了设计的创新，最终将支撑所有这些技术。云本身正在爆炸，而且似乎看不到尽头。这改变了从事这些前沿设计的人。”

在边缘，在这一点上唯一可以确定的是缺乏清晰度。这正驱使许多公司在尘埃落定后，在这个有望成为有趣机会的领域投资。

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