第2章 边缘计算的核心技术

2.1 硬件体系

2.1.1 多芯片支持

边缘计算硬件要满足多种业务诉求、多样性数据的计算需求，必须支持异构计算。异构计算的核心是多芯片支持，包括CPU（Central Processing Unit，中央处理器）、GPU（Graphics Processing Unit，图形处理器）、NPU（Neural-network Processing Unit，嵌入式神经网络处理器）、NP（Network Processor，网络处理器）、DSP（Digital Signal Processor，数字信号处理器）等 [1]。

CPU的主要功能是解释计算机指令以及处理计算机软件中的数据。CPU主要包括ALU（Arithmetic and Logic Unit，算术逻辑单元）和高速缓冲存储器（Cache）及实现它们之间联系的数据（Data）、控制及状态的总线（Bus）。CPU与内部存储器（Memory）和输入/输出（I/O）设备合称为计算机三大核心部件。CPU包含x86架构、ARM架构、MIPS架构等。

GPU是一种专门在计算机、工作站、游戏机和一些移动设备（如平板电脑、智能手机等）上进行图像运算工作的微处理器，用途是将计算机系统所需要的显示信息进行转换驱动，并向显示器提供行扫描信号，控制显示器的正确显示，是连接显示器和计算机主板的重要元件，也是“人机对话”的重要设备之一。GPU在视频编解码、并行计算领域有广泛的应用。

NPU是神经网络处理器，采用数据驱动并行计算架构，特别擅长处理海量视频、图像类的多媒体数据，在人工智能、深度学习方面有广泛的应用。NPU具有小型化、低功耗和低成本优势，可以加快人工智能应用落地。

NP是一种可编程器件，应用于通信领域的各种任务，如包处理、协议分析、路由查找、声音/数据的汇聚、防火墙、QoS等。NP在IP包的快速处理上有独特的优势。

DSP是一种独特的微处理器，是以数字信号来处理大量信息的器件。其工作原理是接收模拟信号，将其转换为0或1的数字信号，再对数字信号进行修改、删除、强化，并在其他系统芯片中把数字数据解码为模拟数据或实际环境格式。DSP在语音编解码上有性能优势。

在CPU的典型架构中，x86架构是芯片“巨头”英特尔设计并制造的一种微处理器体系结构的统称，绝大部分计算机采用的都是x86架构。x86采用CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）架构。与采用RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）不同的是，在CISC处理器中，程序的各条指令是按顺序串行执行的，每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单，但计算机各部分的利用率不高，执行速度慢。

ARM处理器的主要特点有体积小、低功耗、低成本、高性能，这是ARM被广泛应用在嵌入式系统中最重要的原因；支持Thumb（16位）/ARM（32位）双指令集，能很好地兼容8位/16位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快；大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活、简单，执行效率高；指令长度固定；采用Load store结构，在RISC中，所有的计算都要求在寄存器中完成，寄存器和内存的通信则由单独的指令来完成，而在CSIC中CPU是可以直接对内存进行操作的；流水线处理方式。ARM架构的CPU在终端领域占据绝大部分份额，随着ARM高性能核的不断推出，可以满足服务器领域的应用。特别是在边缘计算领域，作为数据的第一入口，利用ARM架构在终端领域的优势可以更好地实现端边协同，应对海量数据的多样性。并且利用ARM的多核优势可以更好地应对边缘侧数据的高并发。

MIPS架构是一种采取RISC的处理器架构，1981年出现，由MIPS科技公司开发并授权，被广泛使用在电子产品、网络设备、个人娱乐装置与商业装置上。最早的MIPS架构是32位，最新的版本已经变成64位。MIPS架构的基本特点是包含大量的寄存器、指令数和字符，以及可视的管道时延时隙。这些特性使MIPS架构能够提供最高的、每平方毫米的性能和当今SoC（System on Chip，单片系统）设计中最低的能耗。

通用CPU架构对比如表2-1所示。

2.1.2 硬件类型

根据不同的部署位置和应用场景，边缘计算的硬件形态有所不同，常见的形态有边缘云、边缘控制器和边缘网关 [1, 2]。

边缘云基于多个分布式智能网关或服务器的协同构成智能系统，提供弹性扩展的网络、计算、存储能力。其中边缘服务器是边缘计算和边缘数据中心的主要计算载体，可以部署在运营商地市级核心机房、县级机房/综合楼、骨干/普通传输汇聚节点，也可以部署在电力公司配电机房、石油公司运维机房等，具有较小的深度、较好的温度适应性、前维护和统一管理接口等技术特点。

由于边缘机房环境差异较大，且边缘业务在时延、带宽、GPU和AI等方面存在个性化诉求，如果使用通用硬件，则要求部分边缘机房改造风火水电和承重，最终给客户带来额外的成本。有时限于机房条件无法实施改造，应采用增强型硬件，以适配机房条件，同时提高性能、降低成本、最优化资源利用率。

边缘计算节点数量众多、位置分散、安装和维护难度大，应尽量减少工程师在现场的操作，需要有强大的管理运维能力来保障。边缘服务器需要有统一完善的管理接口以减少带外管理系统带来的大量适配工作；应尽量降低对运维人员水平的要求，使运维操作尽量简单，提高运维效率；服务器应具备基本故障诊断及上报能力，并提供硬件平台自愈方案。

边缘控制器融合网络、计算、存储等ICT能力，具有自主化和协作化能力。有些场景使用传统的多台服务器加接入交换机的部署方式比较困难，如一些临时应急性质的边缘计算场景，这些场景需要移动性好、可以快速部署、上电即用的方案；一些空闲机柜少或者只有零散半空机柜的电信机房，部署多台服务器空间不足或者只能分机柜部署，增加了部署难度；一些业务量较小的边缘场景，服务器部署量可能只有2～3台，使用传统服务器和接入交换机部署要经过设备上架、施工、调试等步骤，部署时间长，施工流程复杂，需要一个简化的部署方案；对于一些没有标准机柜或没有空余机柜的机房，传统的服务器和接入交换机可能无法部署。

边缘控制器的典型形态之一的边缘一体机可以实现一柜承载所有业务，一柜满足虚拟化、VDI（Virtual Desktop Interface 虚拟桌面接口）、视频监控、文件共享等分支机构所有IT诉求。免机房：散热、供电等根据办公室环境进行整体设计，无须部署在专业或独立机房，节约投资。易安装：整柜交付计算、存储、网络和UPS（Uninterruptible Power Supply，不间断电源）资源，工具化初始部署，无须IT专业人员参与，节约初始上线时间，缩短项目决策周期。管理简单：全图形化界面，所见即所得，以GIS（Geographic Information System，地理信息系统）地图作为背景，全图形化体现站点分布和站点运行状态，在一个界面上展现全部站点运行情况。入口统一：以机柜设备图作为站点内操作导航，站点的操作入口均通过管理中心主页进入。业务远程部署：中心提供应用仓库管理，将新业务上传到应用仓库，业务上线可从中心批量集中部署。集中运维：站点统一接入运维管理中心，设备的运行状态全方位掌握，可对设备进行远程管理与维护，软件故障可远程处理与排除，节省差旅费用。集中灾备：采用本地备份与远程备份相结合的两极备份机制，既可满足本地备份的要求，也可实现单站点灾难后，在中心重启业务的要求。

边缘网关通过网络连接、协议转换等功能连接物理和数字世界，提供轻量化的连接管理、实时数据分析及应用管理功能。边缘网关可以配合边缘服务器、边缘一体机等方案，融合IT领域敏捷、灵活以及OT领域可靠、稳定的双重特点，将网络连接、质量保证、管理运维及调度编排的能力应用于行业场景，提供实时、可靠、智能和泛在的端到端服务。在接入方式上，边缘网关既可以通过蜂窝网络接入，也可以通过固网接入。在管理方面，边缘网关和边缘数据中心同样受边缘PaaS管理平台管理，两者之间也可能存在管理和业务协同。对于不同的典型业务场景，边缘网关具有不同的产品形态。例如，园区物联网网关要具备接入温度、湿度、烟雾探测等多种传感器的能力，并把信号转换成云端可识别的内容进行上报，同时可以对接门禁、闸口等设备，完成基本的控制策略执行功能；工业物联网网关要承担设备信息、预警信息收集和上报的功能，可能需要支持适配多样化的工业物联网接口，如RS232、RS485、数字化IN/OUT接口等。