促進強固型物聯網運算之成本效益

March 7, 2018

Patrick Mannion

物聯網應用的設計師總是不斷面臨壓力，一方面要超越一般消費性系統對強韌度、空間、效能和可靠性的要求，一方面要顧及成本效益。從頭開始設計並滿足所有這些需求須付出昂貴成本，所以選擇電腦用的高效能主機板，並把它安裝在精心設計的機殼中，搭配有效的散熱管理、靜電干擾/靜電放電防護和 I/O 連接埠設計，是實現物聯網不錯的替代選擇。除了節省成本和縮短開發時間以外，隨著新款處理器面市及應用的要求越來越高，這種方法還可以提升擴充能力。適合這種替代方法的運算平台之一，是 Next Unit of Computing (NUC) 外型規格。這款主機板採用最新 Intel 處理器而具有擴充能力，能滿足空間和效能要求。只要在機殼設計和散熱方面稍加留意，它可以隨時轉換成相對低成本的強固型物聯網運算平台。以下例子中可以看到 Logic Supply 如何搭配它開發出適用於物聯網的強固型機殼，並讓它過程中保持美觀。

NUC 兼顧空間與可擴充效能

Intel^® NUC 主機板，例如 NUC7i3DNBE 是在 4×4 寸的小巧體積中結合高效能運算的設計（圖 1）。它使用最近發佈的 Intel^® Core^TM i3-7100U (Kaby Lake) 處理器搭配 Intel^® HD Graphics 620，其熱設計功耗 (TDP) 是 15 W 並使用入焊入式 BGA 封裝，讓產品更堅固耐用。

圖 1. Intel^® NUC 主機板例如 NUC7i3DNBE 能滿足工業應用對空間、效能和擴充能力的要求，但是必須經過修改，才能克服工業、招牌、物聯網和環境與可靠性方面的挑戰。(資料來源：Intel)

再加上一些功能特性，例如使用直接用螺絲固定在主機板的 SSD 記憶體、介於攝氏 0˚ 至 55˚ 之間的操作溫度、預設風扇和塑膠機殼，NUC 一般而言已足夠應付消費級和工作站應用。但是，消費級和工業界的使用模式與設計要求之間卻有極大差距。儘管消費者可以忍受，甚至有者享受打開電腦系統來切換元件、排解難題，以及在系統過熱時願意等待系統散熱，工業和物聯網應用卻是另一回事。「對我們的客戶而言，停機時間會抹煞一切。」強固型電腦系統供應商 Logic Supply Inc. 的產品經理 JP Ishaq 表示。許多客戶把電腦放在天花板上面、櫥櫃內或工作檯下方。「他們不想看到電腦，而且尤其不想因為過熱而打開電腦。」他說。

工業和物聯網適用的強固型 NUC

儘管 NUC 在大小、連線能力、功能和效能方面，包括 HD 媒體功能，均已到達適當平衡，但是下一個目標是讓它滿足工業領域客戶的需求。換言之，就是盡可能移除最多故障點。這從移除風扇開始，風扇通常是最便宜的元件，它會累積灰塵並阻塞系統，吸入金屬碎屑以及故障或短路。Ishaq 說：「我們要把它完全移除，我們想要完全固態的解決方案。」他表示，最重要的是，必須移除所有通風口，而且務必減少 I/O 連接埠或是封閉起來避免濕氣、灰塵和靜電干擾。移除風扇後，Logic Supply 便著重採用先進的散熱器和機殼設計進行被動式冷卻，確保內部溫度盡可能降低。「有些人可能把主機板拿來，直接裝上散熱器，然後放到機殼中。」Ishaq 說道。他們並不這樣，他補充道：「我們嘗試並確保我們使用定制的散熱解決方案，以便盡量排出處理器的熱度，讓它有更多透氣的空間。」

以這種概念設計出來的產品例如 ML100-G-31，外觀相當有特色（圖 2）。「但是它的功能也非常非常出色。」Ishaq 說道。「我們的確相信形隨機能的原則，但是其他條件都相等的情況下，我們也可以讓它看起來更美觀。」Logic Supply 亦提供遮蓋或封閉通風口以及在機殼上增加品牌的選項。

圖 2. ML100-G-31 包含定制的散熱器設計，也提供遮蓋或封閉通風口的選項。（資料來源：Logic Supply Inc.）

散熱器的設計取決於客戶的應用要求，例如可用空間和操作環境。但是所有設計均須採用高品質且導熱佳的鋁材，結合良好均勻的接觸，還要利用良好的壓接使它固定就位。「有些散熱器解決方案搭配熱昇華和熱管後變得十分複雜，但是我們努力把它簡化，消除所有間隙，讓它變得簡單且緊密結合在一起。」Ishaq 說道。雖然 NUC 平台採用最新的 Intel 處理器，可依照使用者的應用需求擴充，但是相對於之前的 Sky Lake 和 Broadwell 實作，Kaby Lake 系列產品必須額外修改散熱器的設計。例如，團隊把更多散熱器的元件放到主機板上。「一般上，我們會盡量減少主機板的接觸點，讓它只接觸 CPU，但是我們也把某些接觸點放到調節器。」Ishaq 表示。團隊使用散熱片直接與調節器接觸，然後把散熱器延伸到散熱片之上。「實施新的解決方案後，額定溫度有了攝氏 10 至 15 度的改善。」Ishaq 說道。成功的秘訣在於過量測試，但是指定規格時較保守。這表示要讓所有元件，從 CPU 到記憶體和 Wi-Fi 或其他網路連線，均達到最大值。Logic Supply 也採用 EN 50155 一類標準進行測試，這是鐵路適用之電子設備標準，會測試溫度、濕度、衝擊和振動。該公司甚至會實施減震，以便在必要時避免主機板受到過大的重力。Ishaq 指出，Logic Supply 也會採用標準的 ML100-G-31 強化機殼，並遮蓋連接埠，或是使用消費者一般不會使用的連接埠，包括 COM 連接埠和數位 I/O。為了解決靜電干擾的問題，團隊確保連接埠周邊的墊圈緊實，並避免使用基本背板。