Máy tính nhúng là gì?
Máy tính nhúng là một hệ thống máy tính chuyên dụng tạo thành một phần không thể thiếu của một máy móc hoặc hệ thống lớn hơn. Trái ngược với máy tính để bàn thông thường, máy tính nhúng thường được thiết kế hoặc dành riêng cho một mục đích duy nhất. Trong khi thiết bị CNTT doanh nghiệp trong môi trường sản xuất có thể xử lý nhiều tác vụ khác nhau cùng một lúc, bảng tính excel, phần mềm MRP cho kế hoạch sản xuất và quản lý kho, máy tính nhúng được sử dụng để xử lý một tác vụ duy nhất, có thể được thiết kế để nằm bên trong một ki-ốt hoặc đơn vị hiển thị kỹ thuật số, hoặc thực sự được kết nối trực tiếp với một trong những máy đó trên sàn nhà máy.
Máy tính nhúng trong cuộc sống hàng ngày
Hãy tưởng tượng bạn đang ở trên một chiếc xe buýt. Bạn thư giãn và tương tác với hệ thống giải trí trên xe ở ghế ngay phía trước bạn. Bạn chơi một vài trò chơi, có thể xem một bộ phim. Điều gì bạn không thấy là máy tính nhúng đang phục vụ hệ thống giải trí trên xe của bạn cùng với tất cả mọi người khác trên xe buýt. Hơn nữa, máy tính nhúng đảm bảo rằng tất cả dữ liệu giải trí và firmware được cập nhật tự động từ hệ thống trung tâm của nhà điều hành trước khi rời ga.
Khi xe buýt di chuyển qua thị trấn, bạn đi qua một cột đèn, trên đó có gắn một máy tính nhúng trong vỏ chống nước, đang phân tích mô hình giao thông và truyền dữ liệu trở lại phòng điều khiển trung tâm qua kết nối di động. Một hộp nhỏ không dễ thấy hơn một chút trên đường chứa một máy tính nhúng khác, đang lấy dữ liệu từ phòng điều khiển và sử dụng thông tin đó để điều khiển một bảng tin biến đổi cảnh báo về tắc nghẽn giao thông hoặc tầm nhìn kém phía trước. Xe buýt đi qua một camera tốc độ, bên trong có một máy tính nhúng được kết nối với một cảm biến radar phân tích tốc độ của các phương tiện đang di chuyển và chọn xem có kích hoạt camera và đèn flash hay không.
Đầu lên đường cao tốc, xe buýt bị một chiếc ô tô vượt qua, trong đó người lái xe đang thư giãn, đọc báo. Một ô tô tự lái, được kết nối với vô số cảm biến chuyển động và Lidar, sử dụng GPU để phân tích dữ liệu từ các cảm biến đó và cung cấp trải nghiệm lái xe tự động an toàn — một hệ thống được thiết kế và phát triển sử dụng sức mạnh của máy tính nhúng được gắn trên xe thử nghiệm.
Chuyến đi ngắn này chỉ là phần nổi của tảng băng khi nói đến các ứng dụng sử dụng máy tính nhúng. Khi bạn nhận được giao hàng của mình từ Amazon, gói hàng bạn cầm trên tay đã gặp phải vô số máy móc và hệ thống sử dụng máy tính nhúng, từ hệ thống kiểm tra hàng tồn kho trong kho, máy tự động lấy hàng và xe đẩy, đến hệ thống theo dõi GPS cho tài xế giao hàng và hệ thống camera an ninh trên xe.
Cho dù bạn đã biết hay chưa, thuật ngữ ‘máy tính nhúng’ thì gần như chắc chắn bạn đã tiếp xúc với máy tính nhúng tại một số thời điểm — có thể là ngày hôm nay. Chúng tồn tại ở khắp mọi nơi và là trung tâm vô danh của các thiết bị điện tử hàng ngày chúng ta nhìn thấy và sử dụng trong cuộc sống hàng ngày, từ máy ATM đến bảng quảng cáo, bảng hiệu công trình đến hệ thống thông tin hành khách trên sân ga tàu.
Cho dù chúng ta nhìn thấy chúng hay không, hay thậm chí biết chúng có ở đó, máy tính nhúng là trái tim ẩn giấu của không gian tự động hóa và cung cấp nhiều tiện nghi chúng ta tận hưởng trong thế giới công nghệ hiện đại.
Máy tính Microbox, tiền thân của máy tính nhúng, xuất hiện lần đầu tiên vào giữa đến cuối những năm 90
Lịch sử phát triển của máy tính nhúng
Chúng ta đều biết rằng tốc độ phát triển của công nghệ thường rất nhanh chóng. Ngay sau khi một nền tảng CPU mới được phát hành, một nền tảng khác lại được ra mắt để thay thế nó. Tuy nhiên, tốc độ mà máy tính nhúng xuất hiện trên thị trường vào đầu những năm 2000, ít nhất là phiên bản máy tính nhúng như chúng ta biết ngày nay, thật đáng kinh ngạc.
Máy tính ứng dụng, một thuật ngữ mô tả máy tính được thiết kế hoặc sử dụng cho một quy trình hoặc tác vụ duy nhất, đã có từ những năm 1960. Chúng ta có thể đã thấy những bức ảnh đen trắng từ thời đó, về những chiếc máy tính có kích thước bằng một căn phòng, và chính những máy tính ứng dụng này có thể được coi là tổ tiên của máy tính nhúng hiện đại — không nhất thiết về công nghệ của nó, nhưng về tính ứng dụng của nó.
Vào những năm 1990, những máy tính ứng dụng này đã được thu nhỏ xuống cỡ của một PC tower, và có dạng Microbox — một hệ thống backplane với một SBC nhúng dựa trên x86 được cắm vào, với các khe cắm mở rộng, tất cả được đóng gói trong một vỏ máy duy nhất. Khi nhìn lại quá trình phát triển của máy tính nhúng hiện đại, chúng ta thấy Microbox giống một “con cá có chân” — mảnh ghép nằm giữa desktop hoặc rack của những năm 80 và 90, và máy tính nhúng không quạt (fanless embedded PC) trên thị trường ngày nay. Vỏ máy Microbox không phải là không quạt, vì công nghệ đơn giản là không tồn tại, và mặc dù công nghệ SSD đã có vào thời điểm đó nhưng nó không được sẵn sàng, cũng không mang tính thương mại, vì vậy các hệ thống này không phải là chống sốc và rung như hầu hết máy tính nhúng hiện đại, nhưng chúng vẫn hoạt động như một máy tính ứng dụng và phục vụ nhiều ứng dụng công nghiệp, chủ yếu là tự động hóa công nghiệp.
Điều gì đã xảy ra vào giữa những năm 2000 đã thay đổi bộ mặt của máy tính ứng dụng? Với sự ra mắt của bộ xử lý AMD LX800 và VIA C3 — các CPU nhỏ, mạnh mẽ chỉ cần một bộ tản nhiệt được gắn vào để cung cấp đủ khả năng tản nhiệt — thời đại của máy tính không quạt hiệu suất cao đã đến. Ngay sau khi các máy tính single board không quạt đầu tiên được phát triển, một số nhà sản xuất Đài Loan đã nhanh chóng nhận ra khả năng phát triển máy tính nhúng không quạt (fanless embedded computer), chắc chắn để thay thế các Microbox đắt tiền, ít được bảo vệ hơn. Những máy tính nhúng mới này sẽ là các giải pháp có sẵn trên thị trường, hoàn toàn được chứa trong vỏ máy không quạt chắc chắn, và vào thời điểm đó cung cấp hiệu suất khá cao ngay khi ra khỏi hộp. Gia đình vi xử lý Intel Atom ra mắt vào năm 2009, tiếp tục thúc đẩy sự phát triển của máy tính nhúng với khả năng xử lý nhanh hơn và nhiều kết nối I/O hơn với tất cả các thông số kỹ thuật tiêu thụ điện năng cực thấp.
Craig Wright, Giám đốc điều hành Impulse cho biết về thời điểm này: “Chúng tôi đã bán máy tính PC Microbox và hệ thống nhúng từ đầu những năm 1990, nhưng ngay khi những máy tính nhúng không quạt đầu tiên ra mắt, chúng đã bùng nổ. Trong vòng mười hai tháng kể từ khi phát hành, Impulse đã bán được 1500 chiếc. Năm sau chúng tôi đã bán được năm lần số đó.”
Một khi phiên bản hiện đại đầu tiên của máy tính nhúng xuất hiện trên thị trường, tất cả các nhà sản xuất máy tính lớn đều nhanh chóng áp dụng định dạng này và phát hành một loạt máy tính nhúng không quạt của riêng họ. Điều này đã đưa máy tính nhúng lên hàng đầu và đưa chúng vào vị trí hàng đầu trong thiết kế dự án máy tính công nghiệp và thương mại.
Nhìn vào những máy tính nhúng đầu tiên này, có thể là AEC-6810 của Aaeon Technology, bạn có thể không nhận thấy nhiều khác biệt so với những gì bạn thấy trong PC nhúng ngày nay. Về mặt hình thức, chúng không thay đổi nhiều, nhưng những gì chúng thiếu về sự tiến hóa về mặt thẩm mỹ thì lại được bù đắp bằng công nghệ. Các phiên bản đầu tiên của máy tính nhúng có rất nhiều dây cáp, đây là điểm thường gặp sự cố
Các tính năng chính của máy tính nhúng
Máy tính nhúng được thiết kế chắc chắn, phần lớn là không có quạt - khác biệt rõ rệt so với máy tính để bàn hoặc máy tính công nghiệp thông thường. Máy tính nhúng thường được tìm thấy trong các ứng dụng khắc nghiệt hoặc khó khăn, đôi khi trong môi trường có nhiệt độ xuống tới -40°C hoặc thấp hơn, hoặc cao hơn +80°C hoặc hơn. Và các yêu cầu về nhiệt độ không chỉ phụ thuộc vào thời tiết - máy tính nhúng có thể được đặt sâu bên trong một vỏ máy kim loại, sau đó được chôn sâu bên trong một máy móc đang hoạt động nơi lưu lượng không khí ở mức tối thiểu.
Sự vắng mặt của quạt tích hợp trong máy tính có thể có vẻ là một tính năng thiết kế kỳ lạ, nhưng có lý do đằng sau sự điên rồ này. Trong môi trường công nghiệp, thường có bụi bẩn và bụi, có thể là độ ẩm hoặc các hạt trong không khí có thể can thiệp vào các thành phần bên trong của máy tính nhúng. Quạt sẽ hút bụi và vật chất dạng hạt này và phủ bên trong PC bằng vật liệu có thể gây nguy hiểm cho hoạt động của nó. Để giải quyết vấn đề này, vỏ nhôm của máy tính nhúng — thường được trang trí bằng vây (hoặc mang) — hoạt động như một bộ tản nhiệt, phân tán nhiệt do thiết bị tạo ra mà không cần thiết kế quạt gây ra vấn đề.
Một lợi ích bổ sung của thiết kế không quạt này là nó loại bỏ vấn đề về các bộ phận chuyển động — một trong những nguyên nhân chính gây ra lỗi và yêu cầu bảo trì trong các ứng dụng công nghiệp.
Mặc dù máy tính nhúng được thiết kế hoặc dành riêng cho các tác vụ đơn lẻ, chúng vẫn chia sẻ nhiều thành phần giống như máy tính để bàn hoặc máy tính công nghiệp thông thường có trong vỏ máy của chúng. CPU, RAM, card đồ họa, bộ nhớ — tất cả đều là những thành phần chung của hệ thống máy tính, nhưng sự khác biệt nằm ở thiết kế của chúng. Ví dụ, nếu một máy tính nhúng được định mệnh sống ở Nam Cực, xử lý thông tin từ trạm Lidar khí quyển và lưu trữ nó trên các thiết bị lưu trữ có thể tháo rời để phân tích sau, thì không chỉ các thành phần chính của PC, như CPU và PCB, cần phải chịu được nhiệt độ dưới zero của vị trí của PC. Mọi thành phần bên trong máy tính nhúng đó phải được kiểm tra và đánh giá để có thể thích ứng với môi trường — sau hết, nếu một thành phần bị lỗi, toàn bộ hệ thống sẽ bị lỗi.
Tại sao bạn cần máy tính nhúng?
Máy tính nhúng có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng và môi trường khác nhau. Chúng hoạt động như một đơn vị xử lý đơn giản với các mức input/output khác nhau, và có thể tính toán thông tin phức tạp nhất, chẳng hạn như phân tích sản phẩm trên dây chuyền sản xuất như một phần của hệ thống vision tự động hóa, yêu cầu mức độ tính toán và kết nối cao, xuống đến một cài đặt bảng hiệu kỹ thuật số đơn giản, chỉ cần tiêu thụ điện năng thấp, một chút sức mạnh xử lý và khả năng xuất video độ phân giải 4K.
Việc liệu máy tính nhúng có phù hợp với bạn hay không phụ thuộc vào một số yếu tố, có thể được tóm tắt bằng cách tự hỏi một câu hỏi đơn giản:
“Thiết bị sẽ được tích hợp vào thiết bị OEM hay thực hiện một tác vụ đơn lẻ như một phần của máy móc hoặc hệ thống lớn hơn trong môi trường khắc nghiệt hoặc bụi bẩn?”
Nếu câu trả lời cho câu hỏi này là có, thì có khả năng máy tính nhúng là thứ ứng dụng của bạn cần. Máy tính nhúng được các OEM sử dụng rộng rãi vì tuổi thọ, kích thước, mức tiêu thụ điện năng và diện tích nhỏ gọn, vì vậy nếu bạn là OEM hoặc có yêu cầu tương tự cần tích hợp một số dạng sức mạnh tính toán vào hệ thống lớn hơn, thì máy tính nhúng là một cách gọn gàng và tiết kiệm chi phí để đạt được điều đó.
Hạn chế về không gian cũng là một dấu hiệu cho thấy bạn cần máy tính nhúng. Một số môi trường có thể không cho phép không gian cho Tower system hoặc PC rack, và nếu không cần đến sức mạnh xử lý tiềm năng lớn có thể được cung cấp bởi các loại hệ thống này, thì máy tính nhúng có thể cung cấp sức mạnh tính toán mà ứng dụng của bạn cần trong khi chỉ chiếm không gian không nhiều hơn một vật nặng giấy. Tất nhiên, với sức mạnh xử lý tăng lên thì diện tích cũng tăng lên, nhưng có nhiều máy tính nhúng trên thị trường có thể nằm gọn trong lòng bàn tay của bạn trong khi vẫn cung cấp sức mạnh xử lý mới nhất từ Intel, AMD và ARM.
Tại sao máy tính nhúng lại tốt cho OEM và nhà sản xuất máy?
OEM và nhà sản xuất máy đã sử dụng máy tính nhúng trong các hệ thống của họ từ lâu vì một số lý do. Không giống như các đối tác thương mại của họ, các thành phần được sử dụng trong máy tính nhúng có tuổi thọ lâu dài, được gói gọn trong một lộ trình được xác định rõ ràng. OEM và nhà sản xuất máy phải tin tưởng rằng bất kỳ thành phần nào họ đang thiết kế vào hệ thống sẽ có sẵn trong một số năm, vì vậy các nhà sản xuất máy tính nhúng đảm bảo rằng lộ trình này được hiển thị và tuân thủ càng chặt chẽ càng tốt.
Form, fit và function là một lý do khác khiến OEM và nhà sản xuất máy tính chuyển sang máy tính nhúng. Giả sử một máy OEM chứa máy tính nhúng đã ở trên sàn nhà máy trong một số năm và chipset cần được nâng cấp để phù hợp với việc triển khai hệ điều hành mới trên toàn công ty. Nếu tất cả I/O được mở rộng ra bên ngoài vỏ máy, điều quan trọng là phải tìm được một máy tính nhúng thay thế trực tiếp có thể đáp ứng các yêu cầu I/O và vỏ máy giống nhau. Điều này cũng áp dụng cho các phiên bản mới của máy OEM, nơi có thể là giao diện được hiện đại hóa và công nghệ được nâng cấp, nhưng I/O vẫn được giữ nguyên. Có thể tìm nguồn một máy tính nhúng hiện đại hơn với cùng kích thước hoặc hình thức, giảm thời gian R&D và tổng chi phí.
Nhiều khía cạnh của máy tính nhúng được tiêu chuẩn hóa trên các dòng sản phẩm. Ví dụ, các tùy chọn lắp đặt phổ biến đối với máy tính nhúng nhưng không tồn tại trong các máy tính để bàn hoặc thương mại tương đương, như DIN-rail và VESA mount, cho phép cài đặt linh hoạt hơn trong tủ điều khiển hoặc bên trong máy móc.
Các tùy chọn mở rộng cũ cũng có sẵn nhiều hơn trong máy tính nhúng, chẳng hạn như PCI, cho phép OEM và nhà sản xuất máy tính phù hợp với các thẻ mở rộng cũ khi cần thiết. Tương tự, các đầu ra hiển thị cũ cũng thường được hỗ trợ, với VGA vẫn phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp và nhúng một phần do độ bền của đầu nối và sự phổ biến của các thiết bị hiển thị cũ.
Vì máy tính nhúng có thể được lắp đặt sâu bên trong hệ thống OEM, tính năng bật/tắt từ xa là một tính năng khác đôi khi được tìm thấy trong máy tính nhúng, cho phép chu kỳ điện năng mà không cần phải mở bảng điều khiển hoặc tắt nguồn hệ thống hoàn toàn. Và về vấn đề nguồn điện, máy tính nhúng được thiết kế cho môi trường công nghiệp cung cấp đầu vào D/C rộng trên các khối đầu cuối, hiếm thấy trong PC thương mại, điều này mở ra khả năng có một nguồn điện duy nhất trong tủ điều khiển, cấp nguồn cho mọi thứ từ máy tính nhúng đến tất cả các thiết bị ngoại vi, chẳng hạn như bộ định tuyến công nghiệp, switch Ethernet và I/O.
Một số ví dụ về các loại máy tính nhúng là gì?
Có quá nhiều biến thể của máy tính nhúng để liệt kê ở đây, nhưng khi nói đến các yêu cầu cho các ứng dụng cụ thể, các tính năng chính của máy tính nhúng hiện đại có thể xác định ứng dụng nào chúng phù hợp:
- Máy tính nhúng tăng tốc GPU
Máy tính nhúng tăng tốc GPU được thiết kế cho phân tích video thông minh và các ứng dụng xử lý và đồ họa nặng trên edge. Ví dụ: nếu bạn có hệ thống dựa trên AI chụp và phân tích video độ nét cao (giả sử là nhận dạng khuôn mặt), thì việc chuyển các terabyte dữ liệu video đó và gửi tất cả lên cloud sẽ tốn kém và không hiệu quả. Máy tính nhúng tăng tốc GPU có thể chụp và phân tích thông tin đó ngay tại edge và chỉ gửi thông tin có liên quan, có thể chỉ là kilobyte, lên cloud để cảnh báo và báo cáo.
- Máy nghe nhạc đa phương tiện
Được phân loại là ‘nhẹ công nghiệp’, máy nghe nhạc đa phương tiện thường được sử dụng trong môi trường ít khắc nghiệt hơn. Chúng vẫn duy trì tất cả các nguyên tắc công nghiệp nhưng không yêu cầu khả năng hoạt động trong dải nhiệt độ rộng hoặc nhiều I/O. Đầu ra hiển thị độ phân giải cao là chìa khóa, và một kích thước nhỏ gọn thường được mong muốn để hệ thống có thể phù hợp với màn hình bảng hiệu kỹ thuật số.
- Máy tính nhúng trên ô tô
Độ sốc, rung và khả năng chịu điện áp rộng là những thuộc tính quan trọng của máy tính nhúng trên ô tô. Với máy tính nhúng PC được chứng nhận được cài đặt trên toa xe đường sắt, hoạt động như cổng dữ liệu giao tiếp với đường ray, đến máy tính nhúng nhiệt độ rộng trong xe vận tải và xe vận chuyển, chụp và lưu trữ hình ảnh CCTV hoặc truyền dữ liệu GPS và thông tin hành vi của người lái xe đến trung tâm điều khiển, máy tính nhúng trên ô tô rất đa dạng và chắc chắn. Với hầu hết các ứng dụng trên ô tô, nguồn điện có thể thay đổi, vì vậy các máy tính nhúng được thiết kế cho các ứng dụng trên ô tô cho phép biến thể này để đảm bảo hoạt động ổn định.
- Cổng IoT công nghiệp
Cổng IoT công nghiệp nằm ở edge và cung cấp kết nối thiết bị và dữ liệu northbound đồng thời tăng tốc tích hợp và đơn giản hóa việc quản lý tổng thể các thiết bị mạng IoT công nghiệp. Với trọng tâm là kết nối và xử lý, các thiết bị chuyên dụng này là lý tưởng cho các ứng dụng edge cần một chút sức mạnh tính toán, khả năng tương thích với giao thức IT và OT và kết nối WAN, thường là qua di động hoặc Wi-Fi.
Bạn có thể tìm thấy máy tính nhúng phù hợp với nhu cầu của mình như thế nào?
Tân Hưng Hà cung cấp và hỗ trợ các máy tính nhúng mới nhất với chipset Intel Core i thế hệ thứ 10 với đa dạng các mẫu mã như general PC, fanless PC và các phụ kiện cho máy tính nhúng – embedded computer gồm bộ nguồn, dây cáp… Các Kỹ sư hệ thống của chúng tôi có nhiều kinh nghiệm trong việc lựa chọn máy tính nhúng phù hợp với các ứng dụng khắc nghiệt và quan trọng nhất.
Chúng tôi có một loạt máy tính nhúng có sẵn trên trang web của chúng tôi và có quyền truy cập vào nhiều hơn nữa thông qua các mối quan hệ lâu năm của chúng tôi với nhà sản xuất Advantech đang dẫn đầu trong thiết kế điện toán nhúng.
Bạn cần chứng nhận? Nhiều máy tính nhúng của chúng tôi được chứng nhận đường sắt, hàng hải và dầu khí ngay khi xuất xưởng, và chúng tôi thậm chí có khả năng chứng nhận các sản phẩm tổng quát cho các tiêu chuẩn công nghiệp cụ thể, cho phép chúng tôi giúp bạn phát triển hệ thống nhúng của mình mà không có bất kỳ thỏa hiệp nào.
