沒有什么事情是不可能的,不可能的意思,就是“不,可能。”

剛剛過去的今年夏天格外炎熱,中國多地最高氣溫超過40℃,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境極限,鋼鐵之軀的智算設備也有。面對戶外夏季70℃的極熱、冬季-40℃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境下的服務器能正常運作不會停擺?

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工程師跟極限環境“硬剛”,硬生生是把“不可能”變成了“不,可能。”

▌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,邊緣服務器的產品經理也步履不停地去尋找各種極限環境主動“找虐”并“宣戰”。

邊緣計算,簡單來說就是指在靠近數據產生的一側,采用網絡、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生巨量的數據,而且越來越復雜,協同程度也越來越難,如何“就近”處理這些數據,然后進行云邊協同,提升大數據計算效率,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境下也能扛起重任,穩定在線。與數據中心常年恒溫恒濕的環境不同,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、油井現場的控制箱、邊緣電氣柜、工業現場控制柜、車載等等各類惡劣的環境中。這類環境有的空間狹小常年悶熱逼仄,有的卻要經歷雨淋雪埋沙塵漫卷,這樣的環境對邊緣服務器的環境適應性、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部元器件,設備不能用傳統的風扇設計,這讓散熱設計面臨很大的挑戰。

用腳做調研,用心做設計。浪潮信息產品研發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“技術猿”們親自到達現場,以此在服務器上崗前完善設計,確保它們能“扛住”邊緣環境的重重挑戰。

▌一塊三明治觸發的靈感

散落在各個地方各種環境下的的邊緣服務器,是智算力延伸到數字世界各個角落的末梢神經元,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,更是橫亙在研發人員面前的攔路虎。產品經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℃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。在邊緣服務器內部,CPU一旦高速運作,溫度最高可達90℃,要讓90℃高溫快速傳導到大約70℃的環境空氣中,就需要在散熱上蓋和熱源之間增加高導熱系數的導熱材料,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℃的散熱極限。

與70℃“死磕”卻求而不得,讓技術研發一度陷入了僵局。轉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構,可以排出熱源上方的空氣,大大消除內部界面熱阻。

從上到下,散熱蓋、凸臺、界面材料、熱源這一酷似“三明治”的結構中,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、大小隨著內部器件的變化而變化,實現產品的靈活百變和高效散熱。同時,研發人員還發現,界面材料厚度的微小差異,都會影響散熱的效率,據仿真模擬數據顯示,材料厚度縮小0.6毫米,CPU的溫度就可以降低2.1℃,因此,需要在CPU、內存等等部件凸臺最小結構公差下,設計出最小厚度的界面材料。

經過多次仿真和實測,研發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溫從原來的60℃提升到67℃。

還差了最后的3℃,努力仍在繼續。

除了提升內部的熱傳導效率,散熱工程師還要考慮設備與環境之間如何進行高效的導熱,才能實現極限環境的適應。研發人員結合熱仿真軟件對多組參數組合進行對比分析,并繪制響應面優化曲線,最終確定出一組關于鰭片厚度、間隙和高度的最優組合,在有限體積內形成超過3000cm2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部的擴散熱阻,散熱上蓋中設計了2D熱管網絡,熱管走向經過反復優化仿真,精準布局,有效規避局部熱點的產生,提升整機均溫能力。

終于,一臺在無風條件下,70℃極限環境也能高效運轉的邊緣服務器橫空出世,站上C位。據研發測試,在無風扇的邊緣服務器上,三明治架構可將被動散熱能力較上一代產品提升近100%。

▌一份智造的極致匠心

適應所有不適應,讓小的積累構成大的改變,浪潮信息研發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據產生的第一現場,不僅可能面對極熱的環境,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,當環境溫度低于-40℃時,自適應調節系統會加熱服務器,讓內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、深山燈等環境中,研發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,浪潮信息研發人員的不斷創新,為更多場景提供安全、穩定的極致邊緣算力創造了可能,也為云邊協同的不斷破圈締造了希望。

(新媒體責編：wan123)