エッジコンピューティングのイノベーション：少ないリソースでより多くの成果を実現

COVID-19 パンデミックにより、データの使用方法だけでなく、データが使用および生成される場所も変化しています。データの使用パターンは、従来の集中型モデルから、多数のリモート ユーザーと接続ポイントをサポートする必要があるモデルに移行しました。これらの長距離接続により、既存の通信アーキテクチャが急速に変化し、エッジ デバイスがアクセス ポイントとその機能を定義する分散アーキテクチャの必要性と進化が促進されています。

パンデミックにより、次のような多くの重要な活動をサポートするためのネットワークとコンピューティングの需要が高まっています。

•リモートワーク – 自宅またはリモートオフィス/ブランチオフィス (ROBO) から

•遠隔学習

•遠隔医療（テレヘルス）
これらの推進要因は、ビデオ ストリーミングやゲームなどのメディアおよびエンターテイメント (M&E) アプリケーションに対する需要の高まりに基づいています。さらに、通信業界では都市部と郊外地域のラストマイル接続を継続的に改善しており、現在はワイヤレス 5G 接続の拡大に重点を置いています。これにより、データ作成の大幅な増加が期待できます。

現在、ネットワークベースの処理は、スマートウォッチ アプリケーション、ストリーミング ビデオ、スマート ホーム アプリケーションなどのサポートに広く使用されています。ただし、この処理の多くは集中型のアーキテクチャ アプローチに依存しており、収集されたすべてのデータは、処理される中央の「クラウド」データ センターに送り返される必要があります。これらの処理された結果は、データ ソースで取得し直す必要がある特定の操作に変換されます。このすべてのデータを移動するコストと、このアプローチによって生じる遅延により、拡張現実、会話型インテリジェンス、自律システム (自動運転車/トラック/船舶、ロボット工場など) などのリアルタイム アプリケーションを簡単にサポートすることはできません。低レイテンシと高スループットを要求するコンテンツが豊富なアプリケーションでは、ネットワーク エッジでのアクセス (接続) とコンピューティング リソースの組み合わせが必要です。
エッジ コンピューティングとその分散処理モデルは、このニーズを満たすように設計されています。このアプローチにより、コンピューティング、ストレージ、制御サービスが、センサー、アクチュエーター、カメラ、そしてもちろんユーザーとそのデバイスなどの数十億の「モノのインターネット」デバイスに近づきます。実装が成功すると、中央クラウド、エッジ コンピューティング ノード、またはエンド デバイス自体など、通信インフラストラクチャ内の最適な場所にコンピューティング リソースが配置されます。さまざまなポイントで変化する需要を満たすために、リソースを動的に拡張できるようになります。
パンデミックにより、エッジ コンピューティングの必要性と依存が本質的に加速しました。エッジ コンピューティングは、今日のニーズを満たすだけでなく、迅速な応答とコア帯域幅の削減のためにローカライズされた処理を必要とする将来のアプリケーションをサポートする上でも大きな可能性を秘めています。ネットワーク エッジでのアクセス場所とコンテンツ配信の変化は、これほど急速に起こるとは予想されていませんでした。そのため、業界は、コンテンツを配信および消費するための安全な環境を提供しながら、コンテンツの有効化と配信の方法を変更する必要に迫られています。
複雑なデータ計算をローカルで（つまり処理の近くで）実行することが、今では重要になっています。これらのエッジ コンピューティング リソースをエンドポイントから 30 メートル以内に配置すれば、その機能が大幅に強化されます。しかし、そのためにはさらなる技術革新が必要です。
エッジ コンピューティング デバイスは、有線と無線の両方の接続方法を使用します。使用される有線接続方法は主にイーサネットです。ただし、エッジ デバイスへの接続を提供するほとんどのアプローチでは、ワイヤレス アクセスにワイヤレス通信が使用されます。
残念ながら、接続性とデータに関するすべての課題を解決できる単一のネットワークまたは無線アクセス アプローチは存在しません。たとえば、基本的なワイヤレス接続プロトコルには、LTE、5G ワイヤレス、WiFi (802.11ax および 6e)、Bluetooth、BLE、ZigBee などがあります。したがって、この新しいタイプのエッジ コンピューティング デバイスは、複数のワイヤレス アクセス メソッドをサポートする必要があります。しかし、多数の無線プロトコルがエッジ コンピューティング デバイス上のスペースと電力をめぐって競合しており、機能統合のレベルをさらに高める必要性が高まっています。
低遅延、高帯域幅のアプリケーションをより適切にサポートするために、強力で統合された消費者向けエッジ コンピューティング ゲートウェイ (スマート エッジ ノード、SEN と呼びます) が登場し始めています。これらの SEN は、安全なコンピューティング、ストレージ、ルーティング機能を追加しながら、複数のワイヤレス アクセス メソッドをサポートします。これらは、より強力なプロセッサ、システムオンチップ (SoC) デバイス、メモリ、アンテナ、パワーアンプ、およびその他のリソースを使用して構築されており、ネットワークのデバイスエッジで複雑で電力を大量に消費するアプリケーションを同時に実行しながら、高速ワイヤレス通信をより適切にサポートします。
私たちはとても興奮しています。デバイスに機能が追加されると、電力とそれに伴う熱が増加します。この熱を除去しないと、電子機器は確実に動作しなくなります。熱を放散するための一般的なアプローチは、デバイスの物理的なサイズを大きくして、熱を放散する表面積を増やすことです。ただし、単に物理的なサイズを大きくすることは、機能性を高めながら SEN の物理的なサイズを維持または縮小するという目標に反することがよくあります。市場は常に、より少ないリソースでより多くのものを提供することを求めています。この場合、熱を放散するために利用できる水平および垂直の表面積は少なくなります。さらに、エッジ デバイスは、クラウド データ センターで普及している強制気流や外部冷却などの他の熱管理ソリューションを使用できない環境で導入または使用されることがよくあります。
これらの物理的な制約により、高出力エッジ展開デバイスのフォーム ファクターは、多くの場合、放熱によって決まります。たとえば、SEN は 2 つの細長い側面を持つ 4 面の直方体の形状になる場合や、放熱表面積を増やすために大きなヒートシンクを収容する大きなハウジングが含まれる場合があります。
家庭や小規模オフィス向けの SEN は、熱に加えて、サーバー ラックへの設置を必要としない特定のサイズと物理的な設計要件を満たす必要があります。 SEN は人々と物理的な環境を共有するため、家庭や小規模オフィスに簡単に設置できるよう、目立たず、物理的に魅力的である必要があります。同時に、これらの物理的属性は、パフォーマンス、機能性、将来性、またはコストの増加を妨げてはなりません。
無線通信の都合上、多くの製品の小型化が進んでいます。今日のスマートフォンと 20 世紀後半のスマートフォンを比べてみましょう。もちろん、エッジ デバイスにワイヤレス アクセス プロトコルと周波数帯域が追加されるにつれて、物理的に、より多くのアンテナが必要になります。新しい無線技術が追加されると、追加の電力のためにより大きなヒートシンクが必要になります。簡単な解決策は、アンテナの数が増えるにつれて、より多くの/より大きな放射器を収容できるようにプラットフォームのサイズを大きくすることです。残念ながら、これは市場が喜んで支払う金額ではありません。
アンテナの数と放射器のサイズは、SEN 自体の全体的なサイズを決定する重要な要素です。ワイヤレス アクセス機能を追加する場合、一般的な設計アプローチでは、新しいワイヤレス プロトコルまたは周波数帯域ごとに、より多くの物理的なスペースが必要になります。この明らかな行き詰まりをどう打破すればよいのでしょうか?
ラジエーターとアンテナが同一である場合はどうなりますか?最近の技術の進歩により、アンテナとヒートシンクの統合に成功し、「少ないリソースでより多くの成果を上げる」という市場の要求に応えることができました。この統合領域はさらなる革新の機会を提供します。
図 1 は、無線通信で広く使用されている平面逆 F アンテナ (PIFA) とヒートシンクを示しています。従来の設計方法では、ヒートシンク領域と RF アンテナ領域が必要であり、これら 2 つの領域が交差しないようにする必要があります。ただし、SEN は異なる周波数帯域で動作する複数の無線を使用します。 Wi-Fi-ax や Wi-Fi 6e などの多くのワイヤレス システムでは、必要な大量の帯域幅を提供するために複数のバンドとアンテナが必要であり、その結果、無線とアンテナのアレイが生成されます。

（図1 ラジエーターとアンテナ）

ヒートシンクと一体化したアンテナを図 2 に示します。「ヒートシンクとアンテナは共生関係にあり、同じスペースの共同テナントとして動作していることがわかりました。」具体的には、ヒートシンクはアンテナ用のより大きなグランドプレーンを形成し、設置面積を削減しながらアンテナのパフォーマンスを向上させます。アンテナはヒートシンクとしても機能し、熱を放散するのに役立ちます。このアンテナとヒートシンクの組み合わせにより、より小さな領域でより高い電力管理とワイヤレス パフォーマンスが可能になります。イノベーションが成功すれば、誰もが恩恵を受けます。

（図2 放射器とアンテナの組み合わせ）

この統合アンテナ/ヒートシンクにより、SEN は無線性能要件を満たしながら、従来の大型デバイスと同じ量の熱を放散し、同じ熱性能を実現できます。このアンテナとラジエーターの複合構造により、部品点数を削減することで材料費と製造費も削減され、利益の増加や市場価格競争力の向上につながります。
統合アンテナ/ヒートシンクのイノベーションが、製品小型化の新時代の到来を告げ、エッジコンピューティング用のスマートエッジノードの開発だけでなく、エッジコンピューティング以外の多くのアプリケーションの開発にも役立つと期待しています。