Processadores nativos da nuvem e Edge Computing

Em 2018, apenas 10% de todos os dados gerados pelas empresas foram criados e processados fora de uma nuvem centralizada ou de um data center. Em 2025, espera-se que esse número atinja impressionantes 75%.

À medida que a maior parte do processamento se move em direção à borda da rede, a edge computing está se tornando cada vez mais nativa da nuvem. Os princípios nativos da nuvem permitem que um dispositivo de borda processe dados localmente com eficiência, reduzindo a latência e aprimorando os recursos de tomada de decisão em tempo real.

Este artigo é uma uma introdução à computação de borda nativa da nuvem que explica como o software nativo da nuvem está mudando o que as organizações podem fazer na borda da rede. Aprenda sobre os principais benefícios e desafios da aplicação de práticas nativas da nuvem em ambientes de computação de ponta.

O que significa nativo da nuvem?

Nativo da nuvem é um termo para software projetado para aproveitar ao máximo os recursos da computação em nuvem. Um aplicativo típico nativo da nuvem é criado como uma coleção de microsserviços fracamente acoplados, cada um deles uma unidade independente na qual você pode trabalhar, implantar e escalar de forma independente.

Uma arquitetura nativa da nuvem permite que os desenvolvedores criem e operem aplicativos com mais eficiência. Aqui estão as principais vantagens do design nativo da nuvem:

• Escalabilidade. A arquitetura nativa da nuvem é dimensionada dinamicamente com base na demanda. Os aplicativos lidam com diversas cargas de trabalho de maneira eficaz, garantindo a utilização ideal de recursos e reduzindo os custos de TI.
• Alta agilidade. Microsserviços promovem agilidade nos negócios. Os desenvolvedores trabalham em componentes de software menores e independentes, permitindo ciclos de desenvolvimento e lançamentos mais rápidos.
• Resiliência. As plataformas de orquestração para aplicativos nativos da nuvem fornecem recursos para recuperação automática, autocorreção e distribuição de carga de trabalho.
• Consistência. Os aplicativos nativos da nuvem têm altos níveis de consistência entre ambientes de desenvolvimento, teste e produção.
• Segurança. Os microsserviços fornecem isolamento entre os componentes do aplicativo, enquanto as ferramentas nativas da nuvem oferecem recursos integrados que melhoram a postura de segurança (por exemplo, RBAC e atualizações automatizadas).

Nativo da nuvem tem significados ligeiramente diferentes dependendo do contexto. Para administradores de TI, nativo da nuvem significa gerenciar infraestrutura como código (IaC), enquanto os desenvolvedores de software normalmente associam o termo a técnicas para escrever aplicativos portáteis nativos da nuvem. No contexto das CPUs, um processador nativo da nuvem é uma peça de hardware otimizada para executar aplicativos nativos da nuvem.

Benefícios do Cloud Native para Edge Computing

O conceito central da computação de ponta é processar dados mais próximos ou na fonte de geração de dados. As práticas nativas da nuvem melhoram a eficiência do processamento na borda, tornando os aplicativos nativos da nuvem uma escolha natural para casos de uso de borda com processamento intenso.

Abaixo está uma análise mais detalhada dos principais benefícios da computação de ponta nativa da nuvem.

Utilização eficiente de recursos

Os princípios nativos da nuvem otimizam o uso de recursos computacionais em ambientes edge. Uma arquitetura típica nativa da nuvem aproveita contêineres e ambientes de tempo de execução leves e isolados para aplicativos.

Os contêineres são uma tecnologia para empacotar e implantar aplicativos. Eles garantem uma implantação consistente e confiável em diversos ambientes, encapsulando o seguinte em um único pacote:

• O código executável que forma a funcionalidade do aplicativo.
• As dependências necessárias para que o código seja executado perfeitamente.
• Bibliotecas que fornecem funcionalidades essenciais e suportam a execução do código.
• Todas as ferramentas e configurações de sistema necessárias.

Os contêineres compartilham o kernel do sistema operacional do host, reduzindo a sobrecarga associada à virtualização e permitindo a utilização eficiente de recursos. Esse recurso é altamente vantajoso na computação de ponta, onde o poder de processamento e o armazenamento de dados são limitados.

A orquestração de contêineres também ajuda na alocação de recursos. As ferramentas de orquestração alocam recursos com base nos requisitos do aplicativo, garantindo que cada contêiner obtenha os recursos necessários sem provisionamento excessivo ou insuficiente.

A utilização eficiente de recursos se traduz diretamente em economia de custos. As economias são particularmente visíveis quando os dispositivos de borda operam em locais remotos ou com recursos limitados.

Escalonamento automático dinâmico

Os princípios nativos da nuvem melhoram a capacidade de escalar e se adaptar a diversas demandas. Os microsserviços facilitam o aumento ou redução de instâncias com base nas alterações da carga de trabalho e nos requisitos atuais.

O escalonamento dinâmico permite que um sistema edge ajuste sua capacidade automaticamente em resposta às mudanças na demanda. Durante períodos de pico de uso ou aumentos repentinos nos requisitos de processamento, o sistema é ampliado para lidar com a carga adicional. Durante períodos de baixa demanda, o sistema é reduzido para conservar recursos.

Aqui estão alguns casos de uso extremos em que o escalonamento automático dinâmico é altamente benéfico:

• Em um aplicativo de cidade inteligente, o dispositivo de borda que gerencia o monitoramento de tráfego pode dimensionar dinamicamente seus microsserviços para aumentar o processamento durante os horários de pico e reduzir à noite.
• Em fábricas que utilizam a IIoT, os dispositivos de borda que monitoram as máquinas podem dimensionar o processamento com base na carga de produção.
• Os dispositivos de borda em aplicativos de saúde podem ser dimensionados durante emergências ou eventos críticos de saúde. A redução em condições normais ajuda a conservar a vida útil da bateria do dispositivo.
• Os dispositivos de borda para vigilância por vídeo podem dimensionar os recursos de processamento durante eventos ou situações que exigem análise intensiva de vídeo (por exemplo, grandes multidões ou alertas de segurança). Durante períodos de silêncio, o sistema é reduzido para economizar recursos.

Os aplicativos de borda nativos da nuvem podem ser dimensionados horizontalmente na borda e verticalmente na nuvem, garantindo uma arquitetura unificada e flexível que abrange vários locais e estratégias de implantação.

Alta tolerância a falhas

A arquitetura distribuída e os microsserviços redundantes garantem operação contínua mesmo diante de interrupções de rede ou falhas de dispositivos. A alta tolerância a falhas é vital em cenários onde os dispositivos de borda são propensos a:

• Conectividade não confiável ou intermitente.
• Falhas de hardware.
• Condições ambientais adversas.

O design distribuído de aplicativos nativos da nuvem aumenta a resiliência, evitando que pontos únicos de falha (SPOFs) interrompam todo o sistema. Se um microsserviço encontrar um problema ou ficar off-line, os serviços restantes continuarão funcionando de forma independente.

A edge computing nativa da nuvem incorpora vários métodos para garantir operação contínua. As três estratégias essenciais são a configuração:

• Instâncias duplicadas de componentes e microsserviços críticos.
• Padrões de comunicação resilientes (por exemplo, disjuntores ou novas tentativas).
• Rotas redundantes para transmissão de dados.

Mecanismos de recuperação automatizados também aumentam a tolerância a falhas. Ferramentas de orquestração como o Kubernetes detectam anomalias ou falhas automaticamente e iniciam ações corretivas. Por exemplo, se um microsserviço em um dispositivo de borda apresentar um aumento repentino nas taxas de erro, o sistema de orquestração substituirá automaticamente a instância problemática por uma saudável.

Um impulso para a segurança de borda

A computação de ponta nativa da nuvem leva a uma postura de segurança mais robusta em ambientes de ponta, onde os dispositivos geralmente têm níveis variados de confiabilidade. Veja como o design nativo da nuvem torna a computação de ponta mais segura:

• Cada microsserviço opera em um contêiner separado, limitando o impacto potencial de incidentes de segurança.
• A natureza isolada dos contêineres significa que uma vulnerabilidade ou falha em um componente não afeta outras partes do sistema.
• O isolamento dificulta a movimentação lateral dos intrusos de um contêiner para outro.
• A natureza leve dos contêineres permite a rápida implantação de patches de segurança.

O design modular da computação de ponta nativa da nuvem também permite controle de acesso e autenticação refinados. Cada microsserviço pode ter sua própria política de segurança, o que reduz a superfície de ataque e minimiza o impacto de violações.

Implantações e atualizações rápidas

Os princípios nativos da nuvem permitem a implementação contínua de atualizações em ambientes de borda dinâmicos e distribuídos. A integração contínua (CI) e a implantação contínua (CD), dois conceitos centrais do desenvolvimento nativo da nuvem, são os motivos para implantações e atualizações rápidas:

• CI envolve a integração regular de alterações de código em um repositório compartilhado. Ele garante que novos recursos, correções de bugs ou melhorias sejam continuamente testados e validados para reduzir a probabilidade de problemas de integração.
• O CD automatiza o processo de implantação de alterações de código validadas em um ambiente de produção.

Em cenários extremos, onde os dispositivos geralmente têm configurações variadas, a CI torna-se crucial para manter a consistência e a confiabilidade dos aplicativos. Por outro lado, o CD permite que uma organização libere atualizações de forma rápida e confiável para dispositivos de ponta.

Os aplicativos de borda nativos da nuvem geralmente aproveitam atualizações contínuas, uma estratégia que substitui gradualmente instâncias antigas por novas versões. Essa tática minimiza o tempo de inatividade e garante operação contínua.

Atualizações over-the-air (OTA) também são relevantes em cenários de borda, pois permitem que uma equipe atualize e gerencie software remotamente em dispositivos de borda. As atualizações OTA são vitais em setores como o de manufatura, onde um dispositivo de ponta no chão de fábrica deve receber atualizações sem interromper o processo de produção.

Desempenho aprimorado

Os princípios nativos da nuvem, combinados com um design de rede bem pensado, garantem conectividade confiável e de baixa latência em ambientes de borda dinâmicos.

A edge computing nativa da nuvem depende de protocolos de comunicação adaptados para interações eficientes na edge. Os dois protocolos essenciais são:

• MQTT (Message Queuing Telemetry Transport). MQTT é um protocolo de mensagens leve e eficiente projetado para dispositivos restritos e redes de baixa largura de banda, alta latência ou não confiáveis.
• CoAP (Constrained Application Protocol). O CoAP fornece comunicação leve, adequada para ambientes de borda. O protocolo garante uma troca de dados eficiente, conservando a largura de banda e minimizando a latência.

O processamento descentralizado e a inteligência de ponta também aumentam o desempenho. Um dispositivo de borda nativo da nuvem possui recursos computacionais para realizar processamento local avançado, o que minimiza a necessidade de transferências frequentes de dados e reduz o congestionamento da rede.

O balanceamento de carga dinâmico é outro contribuidor para o aumento do desempenho. Os balanceadores de carga distribuem o tráfego entre vários dispositivos de borda ou instâncias de microsserviços, evitando gargalos de rede. Em cenários como redes inteligentes, onde os dispositivos monitoram e controlam a distribuição de energia, o balanceamento de carga garante que a rede possa lidar com flutuações na demanda, mantendo ao mesmo tempo o desempenho ideal.

Economia de custos de TI

A utilização eficaz dos recursos computacionais impacta diretamente a viabilidade econômica da implantação de aplicativos em um ambiente de ponta. Aqui está uma visão geral de como a edge computing nativa da nuvem reduz as despesas de TI:

• O escalonamento automático permite que um aplicativo se adapte a diversas cargas de trabalho, alocando automaticamente recursos com base na demanda atual. Os dispositivos Edge utilizam recursos de forma eficiente durante períodos de alta atividade e evitam custos desnecessários durante tempos ociosos.
• A natureza leve dos contêineres minimiza a sobrecarga. Vários contêineres podem ser executados em um único dispositivo sem comprometer o desempenho, maximizando o uso dos recursos disponíveis sem duplicação dispendiosa.
• As organizações podem usar a computação sem servidor e pagar apenas pelos recursos computacionais reais consumidos durante a execução de funções ou serviços. Esse modelo de pagamento conforme o uso é particularmente vantajoso em cenários extremos com picos esporádicos de computação.
• Os aplicativos de borda nativos da nuvem usam filtragem, agregação e compactação de dados localmente. Esses recursos minimizam a quantidade de dados que devem atravessar a rede, reduzindo os gastos com largura de banda.

Desafios do Cloud Native para Edge Computing

Os princípios nativos da nuvem oferecem vários benefícios para a computação de ponta, mas essa estratégia de implantação tem algumas desvantagens obrigatórias. Aqui estão os principais desafios da computação de ponta nativa da nuvem:

• Recursos limitados em dispositivos de borda. Um dispositivo de borda típico tem capacidade de processamento, memória e armazenamento limitados. A implantação de um aplicativo nativo da nuvem em tal dispositivo requer uma conteinerização cuidadosa para minimizar o impacto no desempenho.
• Preocupações relacionadas à rede. Os adotantes da computação de borda nativa da nuvem devem projetar aplicativos que operem de maneira eficaz dentro das restrições de latência da rede e largura de banda limitada.
• Diversos ecossistemas de dispositivos. Variações em hardware, sistemas operacionais, protocolos, interfaces e recursos entre dispositivos de borda representam um desafio para a implantação uniforme. Desenvolver um aplicativo nativo da nuvem que funcione perfeitamente em diferentes tipos de dispositivos de borda é um desafio comum.
• Complexidade de orquestração. Orquestrar e automatizar microsserviços em um ambiente de borda distribuído será complexo se o caso de uso envolver um grande número de dispositivos.
• Governança de dados. A implementação de soluções de borda nativas da nuvem exige um equilíbrio cuidadoso entre o processamento local de dados para obter eficiência e a garantia de conformidade com as leis de proteção de dados e privacidade.
• Variabilidade ambiental. Os ambientes de borda são altamente variáveis, com fatores como temperatura, umidade e disponibilidade de energia influenciando o desempenho do dispositivo. As equipes muitas vezes têm dificuldade para projetar aplicativos nativos da nuvem para se adaptarem a essa variabilidade.

Inovação em processadores nativos da nuvem

Um processador nativo da nuvem é uma CPU de uso geral projetada para executar cargas de trabalho e aplicativos nativos da nuvem. Esses processadores com eficiência energética podem lidar com tarefas avançadas localmente, reduzindo a necessidade de comunicação constante com um servidor de processamento central.

Aqui está o que torna um processador nativo da nuvem uma excelente escolha para implantação na borda da rede:

• Baixo consumo de energia. Os dispositivos Edge geralmente são alimentados por baterias ou têm acesso limitado a fontes de energia. Os processadores nativos da nuvem são energeticamente eficientes e podem operar por longos períodos sem esgotar a fonte de energia do dispositivo.
• Alto desempenho. A combinação de design de thread único, caches grandes e malha sem bloqueio garante que os processadores nativos da nuvem forneçam desempenho suficiente e previsível.
• Recursos de inferência e IA de borda. Processadores nativos da nuvem com recursos integrados para IA de borda e inferência permitem que os dispositivos executem análises em tempo real sem usar recursos da nuvem.
• Otimização da carga de trabalho. Os adotantes podem otimizar um processador nativo da nuvem para cargas de trabalho ou tarefas específicas comumente encontradas em aplicativos de borda (por exemplo, processamento de imagens ou análise de dados de sensores).
• Recursos de segurança integrados. Um processador típico nativo da nuvem possui vários recursos de segurança valiosos, como criptografia baseada em hardware ou mecanismos de inicialização seguros.

Muitas arquiteturas de edge computing usam processadores nativos da nuvem como edge gateways. Um gateway atua como intermediário entre os dispositivos de borda e o servidor central. Os edge gateways devem gerenciar com eficiência a comunicação, a agregação de dados e o processamento local, e é por isso que muitas organizações usam processadores nativos da nuvem como edge gateways.

Use a computação de borda nativa da nuvem para fazer mais na borda da rede

Os princípios e processadores nativos da nuvem expandem o que os dispositivos de borda podem fazer antes de enviar dados para servidores locais ou na nuvem. Os adotantes melhoram os recursos de suas implantações de borda, ao mesmo tempo que economizam custos no longo prazo devido ao uso eficiente e ao menor número de transferências de dados. Se você tiver um caso de uso com alto processamento adequado, a computação de borda nativa da nuvem é um investimento óbvio.