北京2022年10月24日 /美通社/ -- 剛剛過去的今年夏天格外炎熱，中國多地最高氣溫超過40攝氏度，令很多人心有余悸。但很多人并不知道的是，并非血肉之軀才有環(huán)境極限，鋼鐵之軀的智算設備也有。面對戶外夏季70攝氏度的極熱、冬季-40攝氏度的酷寒、雷電暴雨和大漠風沙的“魔法攻擊”，如何保證安放在各種邊緣環(huán)境下的服務器能正常運作不會停擺？
沒有什么事情是不可能的，不可能的意思，就是“不，可能?！?/p>
作為中國邊緣服務器市場第一的廠商，浪潮邊緣服務器的研發(fā)工程師跟極限環(huán)境“硬剛”，硬生生是把“不可能”變成了“不，可能?！?/p>
一群不停“找虐”的人
就像旅人們熱衷于追逐美景用腳步丈量如畫山河，邊緣服務器的產(chǎn)品經(jīng)理也步履不停地去尋找各種極限環(huán)境主動“找虐”并“宣戰(zhàn)”。
邊緣計算，簡單來說就是指在靠近數(shù)據(jù)產(chǎn)生的一側(cè)，采用網(wǎng)絡、計算、存儲、應用核心能力為一體的平臺，就近提供服務。簡單打個比方，每天路上的交通攝像頭、工廠里的高端制造設備等等會產(chǎn)生巨量的數(shù)據(jù)，而且越來越復雜，協(xié)同程度也越來越難，如何“就近”處理這些數(shù)據(jù)，然后進行云邊協(xié)同，提升大數(shù)據(jù)計算效率，就是邊緣計算服務器要做的。
做到海量計算不難，難的是，怎樣能讓這些邊緣智算設備在各種極限環(huán)境下也能扛起重任，穩(wěn)定在線。與數(shù)據(jù)中心常年恒溫恒濕的環(huán)境不同，邊緣計算的場景復雜多樣，這些看上去并不起眼的邊緣設備，需要放置在城市路口的信控箱、電信機房、油井現(xiàn)場的控制箱、邊緣電氣柜、工業(yè)現(xiàn)場控制柜、車載等等各類惡劣的環(huán)境中。這類環(huán)境有的空間狹小常年悶熱逼仄，有的卻要經(jīng)歷雨淋雪埋沙塵漫卷，這樣的環(huán)境對邊緣服務器的環(huán)境適應性、算力性能都提出了很高的要求。
比如在智慧路口，邊緣設備需要放置在幾乎密不透風的信控箱中，一些南方城市夏季最熱的時候，信控箱內(nèi)部最高溫度能達到60-70度。而從一般路口幾路視頻，到復雜道路路口的20路視頻，對邊緣算力的需求不斷提升，這就導致設備的功耗也在提升。而因為室外粉塵過重、空氣中的水蒸氣、酸性氣體、微生物也會侵蝕服務器內(nèi)部元器件，設備不能用傳統(tǒng)的風扇設計，這讓散熱設計面臨很大的挑戰(zhàn)。
用腳做調(diào)研，用心做設計。浪潮信息產(chǎn)品研發(fā)人員們在最熱的夏天打開過三亞路口的信控箱，在極寒的天氣里勘察過漠河油田的服務器，專門去找讓服務器極度“不適”的場景。服務器在雷暴中要能扛住多大的雷擊，在陰雨連綿中需要達到怎樣的防水等級，這些都需要“技術(shù)猿”們親自到達現(xiàn)場，以此在服務器上崗前完善設計，確保它們能“扛住”邊緣環(huán)境的重重挑戰(zhàn)
一塊三明治觸發(fā)的靈感
散落在各個地方各種環(huán)境下的的邊緣服務器，是智算力延伸到數(shù)字世界各個角落的末梢神經(jīng)元，需要練就鋼筋鐵骨。而極端高溫下的散熱，是鋼筋鐵骨也不能承受之重，更是橫亙在研發(fā)人員面前的攔路虎。產(chǎn)品經(jīng)理在實地勘察后敲黑板劃出重點：邊緣服務器必須保證在70攝氏度的高溫下也不會罷工。但反復實驗改進下的邊緣服務器，仍然差了那么一點點意思。
在戶外場景，邊緣服務器散熱設計的方向是，通過無風扇設計，讓設備和環(huán)境之間的熱量通過熱對流和熱輻射傳遞到空氣中。在邊緣服務器內(nèi)部，CPU一旦高速運作，溫度最高可達90攝氏度，要讓90攝氏度高溫快速傳導到大約70攝氏度的環(huán)境空氣中，就需要在散熱上蓋和熱源之間增加高導熱系數(shù)的導熱材料，讓熱量快速傳遞出去，工程師們做了很多嘗試，卻始終無法突破60攝氏度的散熱極限。
與70攝氏度“死磕”卻求而不得，讓技術(shù)研發(fā)一度陷入了僵局。轉(zhuǎn)機來自于一塊加班中用來充饑的三明治。
一層層食材疊加的靈感，啟發(fā)工程師們將服務器散熱上蓋底部壓鑄出導熱凸臺，通過導熱凸臺與導熱界面材料、熱源部件依次貼合的結(jié)構(gòu)，可以排出熱源上方的空氣，大大消除內(nèi)部界面熱阻。
從上到下，散熱蓋、凸臺、界面材料、熱源這一酷似“三明治”的結(jié)構(gòu)中，還針對邊緣服務器的百變需求，設計了不同的鋁擠工藝上蓋，讓導熱凸臺、界面材料的位置、大小隨著內(nèi)部器件的變化而變化，實現(xiàn)產(chǎn)品的靈活百變和高效散熱。同時，研發(fā)人員還發(fā)現(xiàn)，界面材料厚度的微小差異，都會影響散熱的效率，據(jù)仿真模擬數(shù)據(jù)顯示，材料厚度縮小0.6毫米，CPU的溫度就可以降低2.1攝氏度，因此，需要在CPU、內(nèi)存等等部件凸臺最小結(jié)構(gòu)公差下，設計出最小厚度的界面材料。
經(jīng)過多次仿真和實測，研發(fā)人員最終采用高導熱和高壓縮性的界面材料和凸臺填充在熱源與散熱外殼之間，導熱效率達到10W/m·K，是空氣導熱效率的435倍，讓服務器適應的極限環(huán)溫從原來的60攝氏度提升到67攝氏度。
還差了最后的3攝氏度，努力仍在繼續(xù)。
除了提升內(nèi)部的熱傳導效率，散熱工程師還要考慮設備與環(huán)境之間如何進行高效的導熱，才能實現(xiàn)極限環(huán)境的適應。研發(fā)人員結(jié)合熱仿真軟件對多組參數(shù)組合進行對比分析，并繪制響應面優(yōu)化曲線，最終確定出一組關(guān)于鰭片厚度、間隙和高度的最優(yōu)組合，在有限體積內(nèi)形成超過3000平方厘米的散熱面積，達到了最佳散熱能力。
同時，為了進一步減小上蓋散熱器內(nèi)部的擴散熱阻，散熱上蓋中設計了2D熱管網(wǎng)絡，熱管走向經(jīng)過反復優(yōu)化仿真，精準布局，有效規(guī)避局部熱點的產(chǎn)生，提升整機均溫能力。
終于，一臺在無風條件下，70攝氏度極限環(huán)境也能高效運轉(zhuǎn)的邊緣服務器橫空出世，站上C位。據(jù)研發(fā)測試，在無風扇的邊緣服務器上，三明治架構(gòu)可將被動散熱能力較上一代產(chǎn)品提升近100%。
一份智造的極致匠心
適應所有不適應，讓小的積累構(gòu)成大的改變，浪潮信息研發(fā)員們精工細作的服務器遠不止解決了散熱這一痛點。
邊緣服務器無限靠近數(shù)據(jù)產(chǎn)生的第一現(xiàn)場，不僅可能面對極熱的環(huán)境，還會有極寒、風沙、塵土、雷擊等等惡劣場景，每一類場景都需要進行針對性的設計，以保障服務器的穩(wěn)定運行。例如在東北油田，考慮到一些低溫條件下電子設備難以啟動的情況，邊緣服務器設計了低溫熱啟動裝置，當環(huán)境溫度低于-40攝氏度時，自適應調(diào)節(jié)系統(tǒng)會加熱服務器，讓內(nèi)部每一個芯片滿足溫度要求后再開機啟動。
另外，很多邊緣服務器會被放置于高山塔、深山燈等環(huán)境中，研發(fā)人員就在寸土寸金的邊緣服務器中，塞進了一個遠程運維管理模塊，讓運維人員可以遠程勘查設備，大大減少了人力運維成本。
書癡者文必工，藝癡者技必良。很多事情并不是看到了希望才去堅持，而是因為堅持才有了希望，正如研發(fā)工程師追求極致智造的匠心。每一處微小的設計，都是基于邊緣場景做出的最適改變，不啻微芒終能造炬成陽，浪潮信息研發(fā)人員的不斷創(chuàng)新，為更多場景提供安全、穩(wěn)定的邊緣算力創(chuàng)造了可能，也為云邊協(xié)同的不斷破圈締造了希望。
