軟硬融合是工業(yè)4.0的重要特色，工作負載整合可在單一平臺上運作不同硬體設(shè)備，從而降低系統(tǒng)成本、提高管理效益，在此架構(gòu)中，虛擬化技術(shù)將扮演重要角色。
工業(yè)4.0掀起全球制造業(yè)新一波革命浪潮，與之前幾次的工業(yè)革命不同，這次的智慧化變革，不僅透過各種技術(shù)強化原有OT體系效能，更與數(shù)位化IT系統(tǒng)鏈結(jié)，借此優(yōu)化企業(yè)營運能力，由這兩年IIoT(工業(yè)物聯(lián)網(wǎng))落地速度的加快，就可看出整體趨勢已然成形。然而在數(shù)位轉(zhuǎn)型的同時，新型態(tài)的系統(tǒng)也為制造業(yè)帶來新難題，而目前看來急迫性最高的問題，就是平臺工作負載量。
與過去幾次工業(yè)革命不同，工業(yè)4.0最大的突破，就是融合了OT與IT兩大系統(tǒng)，透過數(shù)位化讓OT系統(tǒng)的設(shè)備數(shù)據(jù)可被擷取、傳輸、儲存、管理與分析，在此要求下，過去獨立運作的各類工控設(shè)備，開始被集中到通用型的單一平臺，也因此，此一平臺需要具備強大的運算能力，以處理不同型態(tài)的OT設(shè)備。過去IT系統(tǒng)強化平臺效能的做法，大多是從硬體面著手，不過OT系統(tǒng)由于涉及制程，穩(wěn)定性求向來是第一要求，而過多硬體元件的運算平臺，將直接影響系統(tǒng)穩(wěn)定性，目前雖已有許多硬體廠商提出運算解決方案，然而要讓過多異質(zhì)性設(shè)備共存于同一空間，將提升資訊與系統(tǒng)整合的難度，對效能與成本也都有影響。因此在如何在減少硬體組件的同時，維持平臺效能，就成為業(yè)者急欲解決的問題，而要解決此一問題，平臺的工作負載整合(workload consolidation)將是必要做法。
| 圖二 : 虛擬化與容器化的差異。（Source: Intel） |
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虛擬化將是工作負載整合平臺關(guān)鍵
簡單來說，工作負載整合就是將多個已經(jīng)數(shù)位化自動設(shè)備，整合到少量或單一平臺，并以體積較小的軟體運算技術(shù)，取代過去各類設(shè)備的專用運算硬體。過去OT系統(tǒng)中包括PLC、PAC、HMI…等設(shè)備，都有專屬的運作邏輯，設(shè)備之間的硬體各自獨立作業(yè)，彼此之間再透過各種工業(yè)通訊協(xié)定串接，此一特色雖已運作多年，穩(wěn)定性方面也無庸置疑，但同一體系中同時存在不同硬體架構(gòu)，不只讓后續(xù)的維修難度增高，而且不同廠商的軟硬設(shè)備均為封閉式設(shè)計，彼此無法鏈結(jié)，必須透過第3方系統(tǒng)整合商于后端整合，不但讓系統(tǒng)的架構(gòu)更復(fù)雜，同時建構(gòu)時間與成本支出都會增加，工作負載整合則將各封閉性設(shè)備的軟體移轉(zhuǎn)至開放性平臺，并以虛擬化技術(shù)運算，讓系統(tǒng)在減少平臺硬體元件數(shù)量的同時，具備維持運算效能、運作穩(wěn)定性、降低資本支出(CapEx)、增加系統(tǒng)未來擴展彈性等優(yōu)勢。
工作負載整合在單一功能強大的平臺上，以虛擬化建構(gòu)獨立的隔離環(huán)境，在每一環(huán)境中，各設(shè)備都有獨立的操作系統(tǒng)，而虛擬化目前有兩大關(guān)鍵技術(shù)，包括虛擬機器(Virtual machine)與虛擬容器(Container)。虛擬機器是建立隔離環(huán)境，并透過Hypervisor(虛擬機器監(jiān)視器)鏈結(jié)底層硬體設(shè)備，透過軟體規(guī)劃，讓每一設(shè)備在主機中都具有虛擬的的網(wǎng)路與儲存環(huán)境。虛擬容器則是在使用者端的空間中，建立可透過中央應(yīng)用程序共享內(nèi)核與硬體資源的獨立程序。
虛擬機器和虛擬容器各自有其優(yōu)缺點與適用場域，后者在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用漸多，不過對制造系統(tǒng)而言，完全隔離環(huán)境十分重要，因此虛擬機器仍是目前工業(yè)系統(tǒng)的架構(gòu)首選。而由此趨勢也可看出，在新世代的IIoT架構(gòu)中，虛擬化將成為系統(tǒng)的主要驅(qū)動力量，未來系統(tǒng)中各種只為單一設(shè)備設(shè)計的功能將會轉(zhuǎn)為以軟體處理的開放式架構(gòu)，在虛擬化設(shè)計中，主機平臺會被劃分為多個以軟體定義的隔離環(huán)境，并透過硬體資源的共享，降低系統(tǒng)成本。此外當(dāng)所有資料都會匯集至開放性架構(gòu)后，系統(tǒng)將以統(tǒng)一的資安系統(tǒng)控管資料，這也可進一步提升系統(tǒng)的安全性。
| 圖三 : 生態(tài)系統(tǒng)虛擬化解決方案。 （Source: Intel） |
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Intel®VT強力支援虛擬化系統(tǒng)
由于虛擬化已成為新世代工業(yè)系統(tǒng)的必要設(shè)計，在系統(tǒng)中扮演運算關(guān)鍵角色的處理器也就必須同步進化，在晶片中支援虛擬化，以滿足系統(tǒng)所需。以Intel為例，Intel® Virtualization Technology (Intel®VT)透過多工負載平衡、虛擬機器隔離等設(shè)計，以滿足系統(tǒng)對虛擬化運算的需求。
另外Intel®VT也更有效分配了快取記憶體、I/O輸出入埠與主記憶體等運算資源
，同時提升其安全性，Intel的虛擬化技術(shù)可統(tǒng)一管理處理器、記憶體、I/O、網(wǎng)通等硬體資源，提供虛擬機器穩(wěn)定且高效能運作。虛擬化的工作環(huán)境讓不同的工作負載容易在不同的Intel平臺中移轉(zhuǎn), 增進系統(tǒng)的彈性及方便未來的升級，并降低系統(tǒng)復(fù)雜度與成本，讓架構(gòu)更精簡穩(wěn)定。
工業(yè)4.0需要透過龐大的產(chǎn)業(yè)生態(tài)體系，方能建構(gòu)出完整系統(tǒng)，在工作負載整合環(huán)節(jié)也是如此，在內(nèi)部產(chǎn)品部分，Intel®Xeon®，英特爾®核心＆＃8482;，英特爾®Atom®等處理器產(chǎn)品，都已整合了Intel VT，至于外部生態(tài)系統(tǒng)，Project ACRN™則是符合IIoT即時、安全要求，由于開放原始碼，使其兼具彈性與輕量特色。
目前Intel VT在工業(yè)領(lǐng)域已開始落地應(yīng)用，與美國Rockwell Automation將Intel Core i7作為旗下Allen-Bradley CompactLogix 5480控制器的運算核心，并可儲存其Logix工業(yè)控制和Windows 10 IoT Enterprise操作系統(tǒng)，并將PLC、HMI和作業(yè)軟體整合至單一系統(tǒng)中，落實系統(tǒng)可是化愿景，并提升產(chǎn)線效能。
Intel的虛擬化產(chǎn)品已建立起完整的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈，除了與各嵌入式軟體廠商合作外，硬體方面，臺灣大部分工業(yè)電腦廠商、ODM皆已將Intel VT技術(shù)納入產(chǎn)品設(shè)計之中，將虛擬化技術(shù)建置于智慧制造系統(tǒng)，相關(guān)軟硬體廠商都可協(xié)助有意導(dǎo)入虛擬化技術(shù)的制造系統(tǒng)業(yè)者，設(shè)計出打造出最適化智慧制造平臺，在嚴(yán)峻的市場站穩(wěn)腳步。
