坚固耐用型服务器为无人驾驶汽车铺平了道路

July 1, 2017 Patrick Mannion

开发以及最终部署无人驾驶汽车车队需要获取和处理来自许多传感器输入的大量数据。 这不仅需要先进的架构来执行处理,还要使用在机械和环境方面坚固耐用的组件和机箱来最小化停机时间,确保一致和可靠的数据输入,以及减少总体成本。

无人驾驶汽车中有许多传感器。这些传感器能使前方的道路可视化,从而使系统可以评估无数种情况,无论环境是否不断变化,都能恰当地作出反应。 添加自我诊断和监控系统后,无人驾驶车辆生成的数据能迅速达到每天 4,000 GB。

处理该数据负载需使用适合的微处理器、FPGA 以及其他加速器的组合提供大量的并行和序列计算功率。

平衡以最优、动态的方式实现,可减少总体计算功率要求,降低成本。 但是,如果不能处理无人驾驶车辆应用的精确数据,正确平衡的架构也没有多大用途。 对于车队部署,这更为重要,因为在数据收集过程中如果现场出现服务器故障,将很快使得任何架构差异和优势变得没有意义,并且会完全关熄车辆。

坚固耐用的服务器可解决处理问题

对于较小的创业公司,有时甚至是大型汽车开发团队而言,通过将一台拥有强大能力的台机式服务器或笔记本电脑部署在汽车中执行所需的数据处理是非常诱人的选择。 这带来了两个问题。

第一个问题是,对于普通的台式机来说有太多要求严苛的传感器输入 — 从内部系统状态和监控,到 LiDAR、高速摄像头以及运动和跟踪系统等外部传感器。 “当所有传感器数据都传进来时,你会需要大量的计算能力”,Crystal Group 工程部执行副总裁 Jim Shaw 说: “这不是能在笔记本电脑上搞定的事情。”许多传感器类型还要求密切关注处理硬件和 I/O 选项的类型,这些因研究团队或制造商的需求而异。

第二个问题是应用本身严苛的性质。 路面坑洼不平可能导致内存松动,尾箱乃至驾驶舱的高温可能缩短系统寿命,导致全面故障,同时高湿度或冷凝也可能导致腐蚀或电路短路。 因此,还有电磁干扰 (EMI) 问题需要处理。

最终的结论就是,对于需要不断搜集和处理实时数据的无人驾驶车队来说,不能指望普通的台式机或笔记本来确保可靠运行。 “你肯定不想让车队每天都出现 10 次故障,”Shaw 说。

为了帮助避免在搜集无人驾驶车辆数据时出现可靠性问题,英特尔® 和 Crystal Group 合作开发了用于收集数据的 RS363S15F 坚固耐用型服务器平台(图 1)。

图 1. Crystal Group 的 RS363S15F 坚固耐用型服务器提供异构处理架构。 (图像源:Crystal Group)

该服务器充分利用了 Crystal Group 为军队、航空和油气行业开发坚固系统的专业技术。 它在一个深度不到 15 英寸的坚固耐用型全铝质 3U 机箱中融合了高性能计算和高容量存储。 重要的是,在几乎任何地形当中,它还能在高达 55˚C 的环境温度下满负荷运行。

该系统的处理架构的核心是采用了英特尔® 高级矢量扩展(英特尔® AVX)和英特尔 (Altera) FPGA 的英特尔® 至强® 处理器。 它们将提供最强的处理能力以及虚拟化支持,采用整体散热管理,功耗最低、发热最少。

但是,硬件包装使得 RS363S15F 与嵌入式服务器群体不同。

坚固耐用型服务器的内在特点

Crystal Group 在所有主板和表面上应用了保形涂层等技术,防止有湿气渗入,而且采用了加固处理,从而减轻冲击和振动的影响,避免主板或内存松动。

为了处理电气噪声,电源按照 MIL-STD-461F 以及 DO-160 EMC 标准进行设计,可针对辐射噪声、敏感 RF 以及传导发射进行额外过滤。 “此外,机箱采用搭接缝来防止 EMI 发射,必要时在 I/O 周围以及扩展插槽之间留有 EMI 间隙,”Crystal Group 的首席架构工程师 Chip Thurston 说。

服务器采用了大量热量管理功能。 其设计将围绕 55˚C 的“正常”工作温度而且满负荷运行。 “现成的系统可能仅设计为不超过 30˚ 或 35˚C,”Thurston 说。 此外,也可能没有按照“通过”标准所要求的那样对它们进行严格检测。 “我们尽可能多地对组件进行压力测试,在故障标准方面,我们的标准很低[with regard to tolerances],”Thurston 说: “我们不允许有这些[environmentally related]故障。”

这些系统还将水冷技术作为闭环系统中的一种选择,最大限度地排热。 热量管理的重要性怎么强调都不为过。 即使系统没有直接在现场发生故障,如果设计不当,它的运行寿命也会大大缩短。 “若系统温度降低 10 度或 20 度,它的预计使用寿命就可延长两倍或三倍,”Thurston 说。

使系统保持冷却的默认方法是使用主板控制的风扇,它从分散在主板上的 8 到 10 个不同的热传感器获取数据输入。

Thurston 说,虽然它是从军用规格服务器到无人驾驶汽车的自然跃迁,但是它确实需要在电源层面进行一些优化。 军用系统使用 24 V 电源,而汽车使用 12 V 电源。对于 RS363S15F 坚固耐用型服务器的初始版本,Crystal Group 采用了增频变频器方法,下一代将原生支持 12 V。

结语

无人驾驶汽车开发以及最终规模部署都需要处理大量传感器数据。 虽然 CPU、FPGA 以及专用硬件之间的良好平衡对于达到最优的性价比至关重要,但是确保系统能够在极限环境和地形条件下可靠运行同样关键。 Crystal Group 的 RS363S15F 坚固耐用型服务器解决了可靠性问题。 同时,随着新技术和新功能的出现以及应用需求随时间发生的变化,它能够混合和搭配最新的处理元素。

作者简介

Patrick Mannion

Patrick Mannion is a independent content developer and consultant who has been analyzing developments in technology for over 25 years. Formerly Brand Director for EETimes, EDN, Embedded, Planet Analog and Embedded.com, now part of AspenCore, he has also been developing and executing community-oriented online- and events-based engineer-to-engineer learning platforms. His focus is on connecting engineers to find novel design solutions and focused skills acquisition in the areas of Embedded, IoT, Test and Measurement, RF/Wireless, and Analog & Mixed-Signal Design.

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