Umělá inteligence, multi senzorové systémy i virtuální realita vyžadují čím dál vyšší výpočetní výkony, větší datová úložiště a robustní datovou konektivitu. Pro IoT aplikace, průmyslové systémy i další sektory včetně lékařské techniky je nejvhodnější využít embedded platformy. Ty mají blíže k architektuře serverů a charakterizuje je možnost rozdělení úlohy mezi více procesorů a s tím související vysoké kapacity rychle dostupných pamětí.  Stejně důležitá je rychlá komunikace, v pozadí jsou naopak úložiště a také jakékoli periferie uživatelského rozhraní.
 To je na jednu stranu skvělé, jen je nutné si zvyknout, že se neustále rozšiřuje definice embedded aplikací. Spolu s HPC- High performance computingem nastupuje embedded fiber optic, vestavěná vláknová optika. I to má své důvody.

Ty hlavní vystihuje akronym SWaP – space, weight and power, i když i sami optici už přidávají také security a reliability. Zde se hlavní výhody optiky výstižně přibližují základním požadavkům embedded architektury. Úspora prostoru, hmotnosti a snižování spotřeby jsou charakteristickými rysy všech systémů. Srovnání prostorové a hmotnostní náročnosti optického vlákna s jedním či několika klasickými ethernet kabely je jednoznačně ve prospěch optiky. Zajímavě vychází také energetická náročnost samotného přenosu. U optických transceiverů pro embedded systémy se spotřeba pohybuje pod 100mW, resp. 2x 100mW pro obě strany vlákna. Zatímco metalické vedení je ve srovnání s vláknem z hlediska spotřeby i spolehlivosti silně ovlivněno okolím, tedy teplotou, vlhkostí i EMC faktory, optický přenos poskytuje víceméně konstantní parametry.

EMC a vzájemné elektrické vlivy jsou velmi silným argumentem pro optiku. Ta poskytuje plné galvanické oddělení a transceivery na obou koncích vlákna lze plně integrovat do návrhu embedded počítače, včetně konstantní spotřeby a zajištění EMC kompatibility. Rozměry přitom nejsou kritické, duplexní transceiver pro jedno vlákno v kategorii embedded, který obsahuje přijímač i vysílač, může mít rozměry 13x13x5 mm. Zde je vhodné připomenout, že výkonné vestavné počítače, které optiku využijí, mají díky nárokům na modularitu, konektivitu a chlazení jiné rozměrové faktory, než miniaturní embedded aplikace. I v kategorii jednodeskových SBC počítačů jsou obvyklé rozměry 10x10 cm nebo větší.

Výkonné embedded aplikace

Proč je optika dobrou volbou i pro embedded aplikace ukazuje historie, která nabízí několik paralel. Obranný průmysl, tedy vojenská technika, v řadě případů využívá specifická řešení, která následně přejímá i civilní sektor. Například radarové systémy, integrující více druhů radarů a sonarů, jsou dnes základem mnoha lékařských aplikací. Zdrojem rušení jsou v tomto případě jednotlivé senzory, u kterých je potřeba důsledně dbát na to, aby se nerušily vzájemně ani se svým okolím.
Kombinace radarů, laserů, ultrazvuku a optiky se stává běžnou součástí průmyslových systémů. Přitom se mění základní pohled, nejde o tajný super systém, ale pouze o chytrý senzor. V tomto světě je nutné opustit i představu, že senzor je zařízení, jehož výstupem je binární hodnota nebo jednorozměrná elektrická veličina. Tímto způsobem není možné popsat a předat ani tak jednoduchou informaci, jakou je tvar předmětu. Informace chytrých senzorů se přenášejí nejčastěji ve formě dat mezi výpočetními jednotkami. Rychlost a potřebná kapacita datové komunikace je přímo úměrná složitosti aplikace. Na nejnižším stupni stojí low power IoT nody s přenosem desitek byte za den. Malé jednodeskové systémy vystačí s kapacitou spojení na úrovni několika kB/s, ale požadavky dále rostou. Vedle klasických počítačů, kterým stačí 10/100 Mb Ethernet, mohou senzorové systémy využívat mnohaportová hradlová pole FPGA a ASIC, zpracovávat data ze senzorů CMOS a také propojovat stovky jader pro zpracování výpočtů. To vše je úloha pro edge computing a HPC. Již dnes se počítá s kapacitami komunikace přes 800 Gb/s. Tyto kombinace původně vznikly právě pro potřeby obranného průmyslu s cílem kombinovat různé vstupy s cílem poskytnout a vizualizovat co nejvěrněji získaná data, a to v reálném čase. Odtud se metody rychle rozšířily do lékařské diagnostiky a nyní vstupují do průmyslu.

Spolehlivost a bezpečnost

Jednou z výhod optiky pro embedded aplikace je, že proti metalickým vedením lépe odolává vnějším vlivům. Nabízí nulové elektromagnetické rušení, spolehlivost na relativně dlouhé vzdálenosti (kategorie embedded běžně až 100m) , ale také vyšší mechanickou odolnost, odolnost proti vibracím nebo pracovní teploty od -40°C do +100°C, včetně odolnosti proti změnám teploty a vlhkosti. To celé má velký vliv na prodloužení střední doby mezi poruchami.

Optické systémy vynikají také nízkou chybovostí, která je na rozdíl od metalického spojení predikovatelná a vyjádřená faktorem Bit Error Rate (BER). Zatímco u běžného propojení Ethernet protokolem chyba a opakování způsobí jen zpoždění a vyšší spotřebu, pro širokopásmové aplikace s nestandardními protokoly chyba znamená zkreslení informace a zmenšení přesnosti celého procesu. Stejně důležitá je garantovaná spolehlivost také pro real-time průmyslové protokoly.

Dalším faktorem může být i samotná bezpečnost, protože optika vyhovuje požadavkům vyšším, než standardní metalické vedení. Nižší riziko odposlechu, narušení komunikace i EMC útoku mohou být základním faktorem pro volbu vláknového propojení.  

Moduly a platformy

Stejně jako u Ethernetu i pro optiku platí, že pro běžný vývoj je jedinou efektivní cestou sáhnout po hotovém modulárním řešení od výrobce, který poskytuje otestované řešení s garancí kapacity, přenosové rychlosti i odolnosti. Optické moduly tak často nabízí výrobci embedded počítačů v rámci svých ekosystémů, samozřejmě včetně softwarových knihoven. Příkladem může být platforma Samtec FireFly , Reflex CES Stratix nebo Kontron VPX. Platforma FireFly podporuje řadu protokolů, používaných pro datová centra, segment HPC i propojování FPGA, jako jsou Ethernet, InfiBand, Fibre Channel nebo Aurora. U všech výrobců lze najít moduly s různou sestavou výpočetních jednotek, od volby procesorů přes paměti až po počet a typ portů. Charakteristickým rysem embedded HPC počítačů je kompatibilita na úrovni portů, takže je relativně snadné škálovat zařízení a jednoduše osazovat SBC s různými parametry podle potřeby.

Společný je i výběr výkonných počítačů a optických transceiverů. To garantuje kompatibilitu i dostatečnou přenosovou kapacitu, který je obvykle dimenzována nad úroveň běžných požadavků a charakterizuje ji mimo jiné i počet optických vláken v rychlostních kategoriích odstupňovaných po 10GBps. Firmy v sektoru jsou také nakloněny vývoji zákaznických řešení, takže dává smysl oslovit je i s požadavkem na případné zvýšení kapacity propojení.  

Alternativou jsou potom samostatné standardizované embedded optické moduly, které nabízí řada výrobců optiky, například FOIT Foxconn. Standardizaci embedded optiky se věnuje americká asociace VITA, vydávající řadu stejnojmenných doporučení, která následně přebírá také ANSI. Seznam členských firem reprezentuje přes 120 jmen, takže i v tomto případě je z čeho vybírat.  Existují také konsorcia typu Consortium for On-Board Optics (COBO), která se ovšem věnují optice na deskách v širší rovině.

Uvedené příklady se zabývaly zejména optikou ve vztahu k vysoce výkonným embedded aplikacím. Optika je ovšem zajímavá i pro svět malých aplikací a senzoriku. Těm se bude věnovat samostatný článek.

https://www.vita.com/
https://www.samtec.com/optics/optical-cable/mid-board/firefly